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Aggregatzustände beschreiben die physikalische Form von Materie (fest, flüssig, gasförmig), die durch das Zusammenspiel von thermischer Energie und zwischenmolekularen Kräften bestimmt wird.
Materie begegnet uns in der Natur meist in drei klassischen Erscheinungsformen, den sogenannten Aggregatzuständen: fest, flüssig und gasförmig. Welchen Zustand ein Stoff einnimmt, hängt maßgeblich von der Temperatur (ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen) und dem äußeren Druck ab. Man kann sich die Teilchen wie tanzende Personen vorstellen: Je mehr Energie sie haben, desto wilder bewegen sie sich und desto weniger lassen sie sich an einem festen Platz halten.
Im festen Zustand ist die kinetische Energie der Teilchen gering. Die Kohäsionskräfte (Anziehungskräfte zwischen den Teilchen desselben Stoffes) sind stark genug, um die Teilchen auf festen Gitterplätzen zu fixieren. Sie führen lediglich kleine Schwingungen um ihre Ruhelage aus. Festkörper haben daher eine definierte Form und ein konstantes Volumen.
Wird einem Festkörper Energie zugeführt, erreichen die Teilchen den flüssigen Zustand. Die kinetische Energie reicht nun aus, um die starre Gitterstruktur aufzubrechen, aber die Kohäsionskräfte halten die Teilchen noch eng beieinander. Flüssigkeiten sind inkompressibel (kaum zusammendrückbar) und besitzen ein festes Volumen, passen ihre äußere Form jedoch dem jeweiligen Gefäß an.
Im gasförmigen Zustand ist die kinetische Energie so hoch, dass die Kohäsionskräfte fast vollständig überwunden werden. Die Teilchen bewegen sich völlig frei und ungeordnet im Raum. Gase haben weder eine feste Form noch ein festes Volumen; sie füllen den verfügbaren Raum vollständig aus und sind im Gegensatz zu Flüssigkeiten leicht komprimierbar (zusammendrückbar).
Der Wechsel zwischen diesen Zuständen wird als Phasenübergang bezeichnet. Das Schmelzen (fest zu flüssig) und das Verdampfen (flüssig zu gasförmig) erfordern die Zufuhr von Energie. Diese Energie wird latente Wärme genannt. Das Besondere daran ist, dass diese Energie während des Übergangs nicht die Temperatur des Stoffes erhöht, sondern ausschließlich dazu genutzt wird, die Bindungskräfte zwischen den Teilchen zu überwinden.
Neben den klassischen Übergängen gibt es die Sublimation, bei der ein Stoff direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht (z. B. Trockeneis). Der umgekehrte Weg von gasförmig zu fest wird als Resublimation bezeichnet. Ein einzigartiger Zustand ist der Tripelpunkt: An diesem spezifischen Druck- und Temperaturwert liegen alle drei Phasen (fest, flüssig, gasförmig) gleichzeitig im Gleichgewicht vor.
Jenseits des sogenannten kritischen Punktes verschwinden die Unterschiede zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase. In diesem Bereich spricht man von einem überkritischen Fluid, das Eigenschaften beider Zustände vereint. Für Mediziner ist dieses Verständnis wichtig, da Gase unter hohem Druck (z. B. in Sauerstoffflaschen) oder Phasenwechsel (z. B. bei der Narkosemittelverdampfung) tägliche physikalische Grundlagen darstellen.
