Aggregatzustände und deren Änderung

In diesem Kurstext stellen wir Ihnen die unterschiedlichen Aggregatzustände vor, sowie deren Übergänge.

Verschiedene 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.

Die 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.

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

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 bei 20 °C

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

Eiswürfel bei - 10 °C

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

Wasserdampf beim Sieden von Wasser

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

Kondenstropfen von Wasser an einer kalten Oberfläche

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

Schnee sublimiert bei Minusgraden

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

Resublimation ist als Reifbildung im Winter zu beobachten