Aggregatzustände und Übergänge

Der Aggregatzustand eines Stoffes bezeichnet dessen druck- und temperaturabhängigen physikalischen Zustand. Insgesamt gibt es drei klassische Aggregatzustände:

Fest:
Feste Stoffe werden auch gerne als Festkörper bezeichnet. Sie halten Form als auch Volumen bei.

Flüssig:
Flüssigkeiten behalten ebenso ihr Volumen bei (inkompressible Fluide) – sind aber in der Form veränderbar.

Gasförmig:
Gase füllen immer den ihnen zur Verfügung stehenden Raum aus und sind daher form- und volumenunbeständig.

In der Thermodynamik werden die verschiedenen Aggregatzustände gerne als Phase bezeichnet. Je nach vorherrschender Temperatur und Druck können sich die Zustände ineinander umwandeln. Diese Abhängigkeit lässt sich stoffspezifisch in einem Phasendiagramm darstellen.

Aggregatzustände und das Teilchenmodell

Um die verschiedenen Zustände und ihre zugrunde liegenden Eigenschaften besser zu verstehen, blicken wir zunächst auf das Teilchenmodell. Der Einfachheit halber soll hier die Annahme getroffen werden, dass die Teilchen eines Stoffes aus kleinen runden Kugeln bestehen.
Dabei wirkt sich die Temperatur auf den jeweiligen Stoff direkt über die mittlere kinetische Energie seiner Teilchen aus.

Fest

Betrachten wir nun einen Feststoff, dann können wir hier beobachten, dass die Teilchen dicht aneinander gepackt sind und sich kaum bewegen. Vielmehr schwingen sie um ihre feste Position, den jeweiligen Gitterplatz im Festkörpergefüge (z. B. Metallgitter).
Zwischen den Teilchen wirken die verschiedenen zwischenmolekularen Kräfte wie beispielsweise van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Bindungen oder auch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Ionen. Unter Erhöhung der Temperatur fangen die Teilchen heftiger an zu schwingen, bleiben aber in ihren geordneten, regelmäßigen Strukturen. Der Stoff bleibt fest.

Teilchenmodell eines Feststoffes

Flüssig

Wird nun eine Flüssigkeit betrachtet, dann können sich die Teilchen hier frei bewegen – sie sind also nicht ortsfest. Mit höherer Temperatur nimmt auch hier die Bewegung der Teilchen zu.
Dies geschieht, indem sich die Teilchen in den Lücken untereinander „durchzwängen“ und so verschieben und in Bewegung sind. Dennoch hängen die Stoffteilchen auch im flüssigen Zustand noch aneinander, der Abstand wird durch ihre Bewegung nur etwas größer. Je größer ihr Abstand zueinander ist, desto geringer ist die Viskosität der Flüssigkeit und desto beweglicher („flüssiger“) ist sie.

Teilchenmodell des flüssigen Aggregatszustands

Gasförmig

Kommen wir nun zum gasförmigen Agreggatszustand. Hier sind die Teilchen schnell in Bewegung und der gasförmige Stoff (Gas oder Dampf) verteilt sich gleichmäßig und schnell im ihm zur Verfügung stehenden Raum. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen reichen nicht mehr aus, um diese aneinanderzuhalten. Somit stellt sich ein großer Abstand zwischen ihnen ein und sie bewegen sich geradlinig – vergleichbar mit Billardkugeln – im Raum. Ab und an können sie aufeinanderstoßen.

Teilchenmodell eines Gases bzw. des gasförmigen Aggregatszustandes.

Phasenübergänge – Änderung des Aggregatzustandes

Stoffe sind auch in der Lage, ihren Aggregatzustand je nach vorherrschender Temperatur und Druck zu ändern. Diese auch als Phasenübergänge bezeichneten Vorgänge sind einem temperatur- und druckabhängigen Phasendiagramm – für Reinstoffe als auch Stoffgemische - aufgezeigt. Die Übergangsbedingungen der jeweiligen Zustände entsprechen dabei jeweils den Phasengrenzlinien im Phasendiagramm.
Die nötige Temperatur, die dabei für den betrachteten Phasenübergang notwendig ist, hängt vom vorherrschenden Druck ab.

Generell lassen sich folgende Phasenübergänge und ihre zugehörigen Aggregatzustandsänderungen formulieren:

- fest zu flüssig: Schmelzen (z. B. Schmelzen von Eisen)
- flüssig zu fest: Erstarren (Wasser gefriert zu Eis, Abkühlen einer Metallschmelze)
- flüssig zu gasförmig: Verdampfen (z. B. Kochen von Wasser)
- gasförmig zu flüssig: Kondensieren (Wasserdampf aus Kochtopf kondensiert an Küchenschränken)

Es ist auch möglich, dass ein Stoff vom festen direkt in den gasförmigen Zustand übergeht. Hier wird dann von „sublimieren“ bzw. „resublimieren“ gesprochen. So gehen beispielsweise Arsen, Kohlenstoff oder Bor bei Erhitzung unter Normaldruck direkt in die Gasphase über.

Diagramm zu verschiedenen Phasenübergängen von Aggregatszuständen.

Beispiele von Stoffen und ihren Schmelz- und Siedepunkten

Stoff Schmelztemperatur Siedetemperatur

Aggregatzustand

im Gefrierschrank (-10°C)

Aggregatzustand

bei Raumtemperatur (25°C)

Aggregatzustand

im Backofen (150°C)

 Eisen 1535°C 2750°C fest fest fest
Kupfer 1084°C 2567°C fest fest fest
Caesium 28°C 671°C fest fest flüssig
Wasser 0°C 100°C fest flüssig gasförmig
Brom -7°C 59°C fest flüssig gasförmig
Chlor -101°C -35°C gasförmig gasförmig gasförmig
Sauerstoff -219°C -183°C gasförmig gasförmig gasförmig
Helium -272°C -269°C gasförmig gasförmig gasförmig
Kommentare: 0