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Baustofftechnik 1

Aggregatzustände

In diesem Kurstext stellen wir dir die unterschiedlichen Aggregatzustände von Baustoffen vor, sowie deren Übergänge.

Merke

Hier klicken zum AusklappenVerschiedene Stoffe lassen sich unter dem Gesichtspunkt ihres Aggregatzustandes (aggregieren → anhäufen) voneinander unterscheiden.

Der Aggregatzustand eines Stoffes ergibt sich aus der Wechselwirkung zwischen der gegenseitigen  Anziehung  und  Abstoßung der den Stoff bildenden Teilchen.

Merke

Hier klicken zum AusklappenDie Stärke der Anziehungskräfte zwischen den Teilchen hängt von der Art der Teilchen und deren Abstand ab.

Die Abstoßungskräfte hängen von der kinetischen Energie der Teilchen ab. Steigt die Temperatur eines Stoffes, so erhöht sich ihre kinetische Energie und somit ihr Bestreben, sich voneinander zu entfernen und den zur Verfügung stehenden Raum auszufüllen.

Im Falle eines Feststoffs dominieren die Anziehungskräfte die Abstoßungskräfte, sodass seine Teilchen auf festen Plätzen eines dreidimensionalen Gitters regelmäßig angeordnet werden und er somit eine beständige äußere Form annimmt. Das Volumen bleibt bei Erhöhung der Temperatur nahezu konstant.

In einer Flüssigkeit sind Abstoßungskräfte etwas stärker im Vergleich zum Feststoff. Der Teilchenabstand nimmt bestimmte mittlere Werte an und die aggregierten Teilchen können ihre Position ändern, da sie nur noch ein- bis zweidimensionale Ordnungszustände ausbilden können. Somit kann eine Flüssigkeit keine definierte Form annehmen. Wie bei Feststoffen bleibt das Volumen bei Erhöhung der Temperatur nahezu konstant.

In einem Gas besitzen die Atome oder Moleküle eine so hohe kinetische Energie, ihr Abstand wird sehr groß und ihre Anziehungskräfte sind vernachlässigbar klein. Form und Volumen des Stoffes sind somit undefiniert.

Merke

Hier klicken zum AusklappenDie klassischen Aggregatzustände sind:

fest (s)           → engl. solid

flüssig (l)        → engl. liquid

gasförmig (g)  → engl. gas

Beispiele für unterschiedliche Aggretgatszustände

Im Folgenden sind einige Beispiele für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase unter Normbedingungen aufgeführt:

Feststoffe:     

  • Braunkohle
  • Kochsalz
  • Platin

Flüssigkeiten:

  • Rotwein
  • Schwefelsäure
  • Brom

Gase:

  • Luft
  • Kohlendioxid
  • Helium

In der folgenden Grafik sind die Aggregatzustände sowie die Bezeichnung der Übergänge zwischen den Zuständen abgebildet.

Aggregatzustände und deren Änderungen
Aggregatzustände und deren Änderungen

Veranschaulichung am Beispiel von Wasser

Der Schmelzpunkt von reinem Wasser beträgt $ T = 273,15 K \rightarrow  \theta = 0 °C $.

Der Siedepunkt von reinem Wasser beträgt $ T = 373,15 K \rightarrow  \theta = 100 °C $.

Werden Eiswürfel einer Temperatur von beispielsweise 20 °C ausgesetzt, so schmelzen sie.

Eiswürfel schmelzen

Wird flüssiges Wasser unter 0 °C abgekühlt, dann erstarrt bzw. gefriert es.

Gefrorenes Wasser
Gefrorenes Wasser

Wird flüssiges Wasser auf über 100 °C erhitzt, so verdampft bzw. siedet es.

Siedendes Wasser
Siedendes Wasser

Merke

Hier klicken zum AusklappenAls Verdampfen wird nur der Übergang flüssig → gasförmig über 100 °C bezeichnet!

Unterhalb der Siedetemperatur wird der Übergang Verdunsten genannt!

Wird Wasserdampf z. B. an einer kalten Oberfläche abgekühlt, so kondensiert er.

Kondensat
Kondensat

Bei unter 0 °C geht Eis durch Sublimation direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über.

Sublimation wird beim technischen Verfahren der Gefriertrocknung ausgenutzt, um Lebensmittel so zu trocknen und damit haltbar zu machen, dass keine Zerstörung von Vitaminen und anderen Vitalsoffen durch Erhitzen auftreten kann.

Schnee sublimiert bei Minusgraden
Sublimation

Bei unter 0 °C geht Wasserdampf durch Resublimation direkt vom gasförmigen in den festen Zustand über.