Mehr zu Phasenübergängen

Du hast wohl schon bemerkt: Wasser ändert seinen Aggregatzustand. Eiswürfel schmelzen in deinem Getränk, Wasser verwandelt sich beim Kochen in Dampf, Dampf wird im Gefrierschrank zu Eis. Änderungen der Aggregatzustände: Schmelzen, Erstarren, Verdampfen, Kondensieren, Sublimieren und Resublimieren ... sind bekannt als Phasenübergänge. Nicht nur Wasser durchläuft Phasenübergänge. Unter den richtigen Bedingungen ändern alle Stoffe ihren Aggregatzustand!

Stell dir vor, wie Butter auf einem heißen Toast schmilzt, wie Lava zu festem Gestein erstarrt oder sich Ruß in Schornsteinen ablagert. Viele Dinge aus Kunststoff, Metall und Glas entstehen ebenso durch Phasenübergänge. Willst du diese Dinge herstellen, musst du wissen, wann ein Phasenübergang stattfindet, und ihn kontrollieren können. Aber wie geht das? Der Zustand eines Stoffes hängt von der Energiemenge in ihm ab.

Willst du den Zustand eines Stoffes ändern, musst du Energie hinzufügen oder entziehen. Das geht u. a., indem du die Temperatur des Stoffes änderst. Nimm eine Kerze als Beispiel: Wenn die Kerze brennt, steigt ihre Temperatur. Dabei wird Energie in Form von Wärme vom brennenden Docht zum Wachs übertragen.

Diese Wärme verwandelt sich in kinetische Energie in den Partikeln des Wachses. Die Partikel sammeln kinetische Energie und bewegen sich immer schneller. Die Verbindungen zwischen ihnen brechen, und die Partikel entfernen sich voneinander. Das Wachs schmilzt. Wenn du die Kerze ausbläst, erlischt die Flamme und die Temperatur sinkt.

Die Wärme entweicht aus dem Wachs. Die Partikel verlieren ihre kinetische Energie und werden langsamer. Die Partikel können nun leichter dicht beieinander bleiben und feste Strukturen bilden. Das Wachs verwandelt sich wieder in einen Feststoff. Beim Hinzufügen oder Entfernen von Hitze steigt oder sinkt die Temperatur, bis ein Phasenübergang stattfindet.

Während des Phasenübergangs wird die Energie genutzt, um den Zustand des Stoffes zu verändern und nicht um die Temperatur zu ändern. Die Temperatur bleibt gleich, und der Stoff ist gleichzeitig in zwei verschiedenen Aggregatzuständen, bis der Phasenübergang beendet ist. Es gibt zwei klare Punkte, wo Phasenübergänge stattfinden. Beim ersten Punkt ist der Stoff sowohl fest als auch flüssig. Das passiert beim Schmelzen oder Erstarren: der Schmelzpunkt.

Der andere Punkt ist beim Übergang eines Stoffes von Flüssigkeit zu Gas – während des Siedens oder Kondensierens. Das ist der Siedepunkt. Jeder Stoff benötigt eine andere Energiemenge, um von einem Aggregatzustand in einen anderen zu wechseln. Jeder Stoff hat also einen anderen Schmelzpunkt und Siedepunkt. Die Energiemenge in einem Stoff lässt sich auch verändern, indem man den Druck anpasst.

Unter hohem Druck werden die Partikel zusammengepresst und bleiben somit dicht beieinander. Es erfordert mehr Energie, um die Struktur aufzubrechen oder die Partikel auseinander zu bringen. Für die meisten Stoffe gilt: Je höher der Druck, desto höher ist der Schmelz- und Siedepunkt. Die einzige Ausnahme ist Wasser. Unter hohem Druck schmilzt Eis eher bei niedrigen als bei hohen Temperaturen.

Unter niedrigem Druck bewegen sich die Partikel leichter voneinander weg. Stoffe brauchen also weniger Energie, um zu schmelzen oder verdampfen. Darum sind die Schmelz- und Siedepunkte niedriger. Durch Anpassen der Temperatur und des Drucks kann man also die Energie eines Stoffes verändern und Phasenübergänge kontrollieren ... und zwar in verschiedenen Stoffen, nicht nur in Wasser!