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Strömungslehre - Aggregatzustände

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Strömungslehre

Aggregatzustände

Die Strömungslehre beschäftigt sich mit der Bewegung von Fluiden. Alle physikalischen Stoffe können in drei Aggregatzustände/Phasenzustände unterteilt werden: Fest, flüssig und gasförmig. Durch die Änderung von Temperatur und Druck ist es möglich einen Stoff in die unterschiedlichen Zustände umzuwandeln. 

Feste Stoffe behalten sowohl ihre Form (ohne äußere Krafteinwirkung) als auch ihr Volumen bei. Feste Stoffe gehen häufig mit einer großen Dichte einher, welche 5 - 10 % höher liegt als bei der jeweiligen Flüssigkeit. 

Flüssigkeiten behalten zwar ihr Volumen bei, allerdings ist die Form dieser unbeständig, d.h. sie passen sich ihrer Umgebung an. Eine Flüssigkeit füllt den Raum nicht vollständig aus, sondern bildet eine freie Oberfläche.

Für Gase entfällt neben der Form zusätzlich die Volumenbeständigkeit. Ein Gas füllt den Raum vollständig aus. Gase weisen im Gegensatz zu festen Stoffen und Flüssigkeiten die niedrigste Dichte auf. Da der Stoff innerhalb dieses Zustandes keine Oberfläche besitzt, sind farblose Gase unsichtbar. Die Dichte von Gasen ist bis zu tausend mal geringer als die von festen Stoffen. 

Merke

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Flüssigkeiten und Gase werden unter Fluide zusammengefasst.

Teilchenmodell 

Mithilfe des Teilchenmodells lassen sich die Aggregatzustände beschreiben. Hier werden die kleinsten Teilchen eines Stoffes auf Kugeln reduziert. 

Aggregatzustand

Bei einem Feststoff schwingen die kleinsten Teilchen um eine feste Position (ortsfest). Wird nun die Temperatur erhöht, so beginnen die Teilchen heftiger zu schwingen und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt zu. Für Feststoffe gilt, dass die Form unverändert bleibt.

Im Gegensatz zu Feststoffen sind die kleinsten Teilchen bei Flüssigkeiten nicht ortsfest, sondern können sich gegenseitig verschieben. Die Wechselwirkungskräfte sind hier aufgrund der starken Bewegung der Teilchen nicht mehr ausreichend, um diese an ihrer Position zu halten. Die Teilchen können sich nun frei bewegen. Flüssigkeiten verteilen sich von alleine, es sei denn diese werden durch eine Begrenzung daran gehindert. Der Abstand zwischen den Teilchen ist bei Flüssigkeiten größer als bei Feststoffen, die Teilchen selber hängen aber weiterhin aneinander.

Bei Gasen bewegen sich die kleinsten Teilchen sehr sark. Aufgrund der starken Bewegung halten die Teilchen nicht mehr zusammen. Das führt dazu, dass sich ein gasförmiger Stoff schnell im Raum verteilt. 

pT-Phasendiagramme

Anhand des pT-Phasendiagramms kann in Abhängigkeit vom Druck und der Temperatur festgestellt werden in welche Phasen ein Stoff unterteilt werden kann und in welchem Aggregatzustand sich dieser befindet.

pT- Phasendiagramm Aggregatzustand

Das obige pT-Phasendiagramm zeigt die Einteilung eines Stoffes in die drei Aggregatzustände: Fest, flüssig, gasförmig. Durch die Linien wird angegeben, bei welchem Druck und welcher Temperatur der Stoff seinen Aggregatzustand ändert. Auf den Linien, den sogenannten Phasengrenzlinien, findet der Übergang zwischen den Zuständen statt. Auf den Phasengrenzlinien selber treten mehrere Aggregatzustände gleichzeitig auf. Der Schnittpunkt zwischen allen Phasengrenzlinien wird als Tripelpunkt bezeichnet. Hier treten alle drei Aggregatzustände gleichzeitig auf.

Oberhalb einer bestimmten Temperatur und eines bestimmten Drucks befindet sich der kritische Punkt. Hier können Flüssigkeit und Gas aufgrund ihrer identischen Dichte nicht mehr voneinander unterschieden werden. Es kann demnach hier keine Einteilung in bestimmte Phasen mehr vorgenommen werden. 

Sublimationskurve: Trennlinie zwischen gasförmiger und fester Phase. Gleichzeitiges Auftreten von festen und gasförmigen Phasen möglich.

Schmelzkurve: Trennlinie zwischen fester und flüssiger Phase. Gleichzeitiges Auftreten von fester und flüssiger Phase möglich.

Siedepunktkurve: Trennlinie zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Gleichzeitiges Auftreten von fester und gasförmiger Phase möglich.