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Physik · Wärmelehre
Fest, flüssig und gasförmig, Phasen und Gemische, Phasenübergänge mit latenter Wärme, die Rechnung Q = c·m·ΔT, das Phasendiagramm des Wassers und die Gibbs-Phasenregel.
Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, entscheidet das Tauziehen zwischen Teilchenbewegung und Anziehung. Beim Phasenübergang bleibt die Temperatur konstant: Die Energie löst Bindungen, statt zu erwärmen.
Je höher die Temperatur, desto mehr kinetische Energie haben die Teilchen und desto weniger halten die Kohäsionskräfte (Anziehung zwischen Teilchen desselben Stoffs) sie zusammen. Druck presst die Teilchen dagegen zusammen.
| Zustand |
|---|
| kompressibel? |
|---|
| fest | feste Form, festes Volumen | kaum |
| flüssig | Gefäßform, festes Volumen | kaum |
| gasförmig | füllt jeden Raum | leicht |
Im Festkörper schwingen die Teilchen auf Gitterplätzen, in der Flüssigkeit gleiten sie dicht beieinander, im Gas fliegen sie frei. Festkörper bilden oft ein Kristallgitter, dessen kleinste Wiederholeinheit die Elementarzelle ist.
Wie stark die Teilchen haften, bestimmen Dipol-Dipol-Kräfte, Dispersionskräfte (kurzlebige Dipole, auch bei unpolaren Molekülen) und Wasserstoffbrücken. Vor allem Wasserstoffbrücken erklären den hohen Siedepunkt von Wasser. → Ausführlich in: Atombindung, Sauerstoff Wasser
Außer den drei klassischen Zuständen gibt es Plasma (ionisiertes Gas, wie in der Sonne), Suprafluide und Bose-Einstein-Kondensate nahe 0 K.
| Übergang | Name | Wärme |
|---|---|---|
| fest → flüssig | Schmelzen | wird aufgenommen |
| flüssig → fest | Erstarren | wird abgegeben |
| flüssig → gasförmig | Verdampfen | wird aufgenommen |
| gasförmig → flüssig | Kondensieren | wird abgegeben |
| fest → gasförmig | Sublimieren | wird aufgenommen |
| gasförmig → fest | Resublimieren | wird abgegeben |
Aufnehmen heißt endotherm, Abgeben exotherm. Schmelz- und Erstarrungswärme sind betragsgleich. Die Energie, die ein Übergang kostet, heißt latente Wärme. Sie steckt im Übergang, die Temperatur bleibt, bis alles umgewandelt ist. → Zu ΔH und Vorzeichen: Exotherm endotherm
Bei Wasser kostet Schmelzen 334 kJ/kg (6,01 kJ/mol), Verdampfen 2257 kJ/kg (40,7 kJ/mol). Sublimieren kostet ungefähr beides zusammen, also am meisten. Beim Verdampfen müssen sich die Teilchen ganz voneinander lösen, beim Schmelzen nur das Gitter lockern.
Verdampfen passiert bei Siedetemperatur im ganzen Volumen, Verdunsten an der Oberfläche bei jeder Temperatur. Beides entzieht der Umgebung Verdampfungswärme: Darum kühlt Schwitzen die Haut. Ein Narkosegerät verdampft flüssiges Anästhetikum.
Innerhalb eines Zustands ändert sensible Wärme die Temperatur. Wie viel du brauchst, sagt die spezifische Wärmekapazität c: die Wärme, die 1 kg eines Stoffs um 1 K erwärmt. Sie ist eine Stoffeigenschaft in J/(kg·K).
Die Wärmekapazität des ganzen Körpers ist C = c · m. Weil Wasser so viel Wärme speichert, puffert es Temperaturen: im Körper, im Meer, im Klima.
Q = c · m · ΔTWasser: c ≈ 4190 J/(kg·K); Aluminium etwa 900
Beispiel: 0,5 kg Wasser von 20 °C auf 100 °C erwärmen kostet Q = 4190 · 0,5 · 80 = 167 600 J, rund 168 kJ. Dieselbe Menge bei 100 °C zu verdampfen kostet 2257 · 0,5 ≈ 1129 kJ, fast siebenmal so viel.
Heizt du Eis von −20 °C immer weiter, ergibt sich eine Treppe:
Die Wärme geht als latente Wärme ins Verdampfen und löst Bindungen. Erst wenn alles Wasser verdampft ist, steigt T wieder.
Es zeigt, welche Phase bei welchem Druck und welcher Temperatur stabil ist. So liest du es:
Bei Wasser neigt sich die Schmelzkurve nach links, weil Eis weniger dicht ist als flüssiges Wasser: Mehr Druck lässt Eis schmelzen. → Ausführlich in: Anomalie des Wassers
Die Siedetemperatur ist der Punkt, an dem der Dampfdruck gleich dem Außendruck ist. Mehr Druck heißt höherer Siedepunkt (Druckkochtopf, Autoklav über 100 °C), in großer Höhe siedet Wasser früher. Unterhalb von 0,006 bar sublimiert Eis direkt, so funktioniert die Gefriertrocknung.
Eine Phase ist ein räumlich abgegrenzter, in sich einheitlicher Bereich, der durch eine Grenzfläche von der nächsten getrennt ist. Eiswürfel in Wasser sind zwei Phasen eines Stoffs (eine Komponente). Öl auf Wasser sind zwei flüssige Phasen, zwei Komponenten. Graphit und Diamant sind zwei feste Phasen von Kohlenstoff.
Ein homogenes Gemisch hat eine Phase (Salzlösung), ein heterogenes mehrere (Sand in Wasser).
F = K − P + 2F Freiheitsgrade, K Komponenten, P Phasen
F sagt, wie viele Größen (Druck, Temperatur) du frei wählen kannst, ohne dass sich die Phasenzahl ändert. Für reines Wasser (K = 1): In einer Fläche (P = 1) wählst du beides frei (F = 2). Auf einer Kurve (P = 2) nur eines (F = 1). Im Tripelpunkt (P = 3) ist alles festgelegt (F = 0).
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeWelche Phase liegt bei 1 bar und 50 °C vor – und was passiert, wenn du bei 0 °C den Druck erhöhst? Lies es an den Kurven ab.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
