Flüssigkeiten - flüssiger Aggregatzustand
Flüssige Stoffe (Flüssigkeiten) haben ein konstantes Volumen, sind aber in ihrer Form unbestimmt (variabel). Durch eine Kraft (z.B. Gravitations- oder Zentrifugalkraft) nimmt die Flüssigkeit die Form des Behälters an. (Anmerkung: Unter gravitationsfreien Bedingungen wird aufgrund der Oberflächenspannung eine Kugelform auf Grund der in der Flüssigkeit auftretenden Adhäsionskräfte eingenommen.)
Die Anziehungskraft zwischen den Molekülen der Flüssigkeiten ist wesentlich geringer als die der Festkörper, so dass diese nur noch zum (schwachen) Zusammenhalt der Materie ausreichend ist. Eine Formbeständigkeit ist dagegen nicht vorhanden, da die freie Bewegung von Atomen bzw. Molekülen zueinander möglich ist. Als Materialmerkmal wird bei Flüssigkeiten daher die Viskosität anstelle der Festigkeit bei festen Körpern verwendet. Die Zu- bzw. Abnahme des Volumens bei Temperaturänderung verhält sich ähnlich wie bei den festen Stoffen.
Bei Erreichen der Verdampfungstemperatur wird die Oberflächenspannung der Flüssigkeiten praktisch aufgehoben, so dass bei dieser Temperatur die Flüssigkeit zu Dampf und bei weiterer Temperaturerhöhung - die kritische Temperatur überschreitend - dann zu einem Gas wird.
Dampf- und gasförmiger Aggregatzustand
Ungeachtet der Form oder des Volumens der gasförmigen Medien wird der verfügbare Raum gleichmäßig ausgefüllt. Es gibt praktisch keine Anziehungskraft zwischen den Molekülen in diesem Aggregatzustand. Drehung, Schwingung und makroskopische Bewegung der Partikel führt zu „Zusammenstößen” zwischen diesen und so bewegen sie sich voneinander weg. Gasförmige Materien füllen daher den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig und mit überall gleichem Druck aus. (Anmerkung: Dies ist natürlich nur der Fall, wenn äußere Kräfte - z.B. Gravitation - das Gas nicht beeinflussen.)
Im gasförmigen Zustand heißen die Materialien unterhalb der kritischen Temperatur Dampf und darüber dann Gas. Dämpfe können zu Flüssigkeiten verdichtet (komprimiert) werden, Gase dagegen können bei keinem - noch so hohen Druck - verflüssigt werden. Dies wäre nur möglich, wenn es vorher unter seine kritische Temperatur abgekühlt worden wäre, also in Dampf umgewandelt würde.
Aufgrund der minimalen Viskosität der gasförmigen Materialien und ihrer - verglichen mit Flüssigkeiten und Festkörpern um Größenordnungen - höherer Kompressibilität können ihre Form und ihr Volumen schon mit relativ geringen Kräften verändert werden.
Plasma - ionisierter Aggregatzustand
Gasförmige Substanzen können bei sehr hohen Temperaturen aufgrund von Strahlung oder starken elektromagnetischen Feldern mittels Ionisierung der Atome und Moleküle in den Plasmazustand übergehen. Hierbei werden Elektronen von den Atomen getrennt, so dass Ionen und Elektronen entstehen, die sich im Plasmazustand frei bewegen können. Wegen der „freien” Elektronen leitet Plasma den Strom gut.
Theoretisch können alle Materialien bei einer ausreichend hohen Temperatur, die auch als thermische Ionisation bezeichnet wird, in den Plasmazustand gebracht werden. Für die sogenannte Totalionisation werden mehrere zehntausend Kelvin hohe Temperaturen benötigt (kaltes Plasma), die Temperatur von „heißem” Plasma beträgt sogar mehrere Millionen Kelvin.
Der Plasmazustand selbst ist überraschend häufig, beispielsweise befindet sich das Universum (Sterne und interstellare Materialien) in der überwiegenden Mehrheit (99%!) in diesem Zustand. Auch die Luft zeigt Plasmazustände, z.B. in Blitz-, Elektro- oder Koronaentladungen, und wird in Bogenlampen und in Gasentladungsröhren gezielt ausgenutzt.
Änderungen des Aggregatzustandes
Die Änderungen der Temperatur und/oder des Drucks der Substanzen führen bei Erreichen eines entsprechenden Temperatur- bzw. Druckwertes zu Veränderungen des Aggregatzustandes. Diese Änderung ist ein reversibler Prozess, solange sich die Substanz nicht auf thermischer Basis chemisch verändert. Es ist auch eine wichtige Erkenntnis, dass bei der Änderung des Aggregatzustandes stets eine bedeutende Energiezufuhr notwendig oder eine große Energieabgabe (-freisetzung) zu beobachten ist.
Abb. 4: „Traditionelle“ Aggregatzustände, Phasen und Übergänge
Die Umwandlung von Feststoffen durch Wärmeenergie in eine Flüssigkeit (Schmelzen) erfolgt bei einer gegebenen Temperatur, die man Schmelzpunkt nennt. Hierbei werden die Kräfte zwischen den Atomen bzw. Molekülen reduziert, weshalb diese nunmehr relativ frei zueinander beweglich sind (anstelle der bisherigen starren Anordnung). Der umgekehrte Prozess (Gefrieren, Erstarren oder Kristallisation) erfolgt unter Abgabe von Wärmeenergie. Diese Temperatur nennt man Gefrierpunkt, Erstarr- oder Kristallisationstemperatur. Der genaue Name hängt von der Struktur des Festkörpers ab, der am Ende des Vorganges gebildet wird. Ein interessantes Phänomen ist, dass einige Feststoffe auch verdampfen können (so wie Flüssigkeiten). Diese Vorgang wird als Sublimation bezeichnet, und kann u.a. bei Eis beobachtet werden.
Die Umwandlung von Flüssigkeiten in die Dampfphase wird Verdampfung genannt. Findet der Vorgang am Siedepunkt der Flüssigkeit statt, siedet oder kocht die Flüssigkeit. Verdampfung unter dem Siedepunkt nennt man Verdunstung. In der Gasphase sind die Kohäsionskräfte zwischen den Atomen und/oder Molekülen praktisch eliminiert. Der umgekehrte Prozess wird üblicherweise als Kondensation bezeichnet und geschieht bei Temperaturen unter dem Taupunkt. Geht der Dampf direkt in einen festen Zustand über, ist dies die sogenannte Resublimation.
Plasma (ionisiertes Gas) entsteht durch die Verringerung der elektrostatischen Anziehungskräfte innerhalb der Atome von Gasen bei extrem hohen Temperaturen. Hierbei werden einige (oder sogar alle) Elektronen vom Kern losgelöst. Dieser Prozess wird Ionisierung genannt, der Umkehrvorgang Reionisierung.
Prozesse, die sich bei Energieeintrag abspielen (Temperaturanstieg und / oder Druckabfall):
Zustandsänderungen, die mit Energieabgabe ablaufen (Temperaturabfall und / oder Druckerhöhung):
Tabelle 1: stoffspezifische Parameter bei Phasenänderung
1.1.2.2. Spezifische Wärmekapazität
Unabhängig vom Aggregatzustand eines Stoffes, steigt dessen Temperatur bei Zufuhr von (Wärme-) Energie an. In welchem Maße die Temperatur durch den Energieeintrag zunimmt, hängt vom jeweiligen Material ab. Mit anderen Worten: Unterschiedliche Materialien gleicher Menge (genauer: gleicher Masse) wärmen sich bei gleicher zugeführter Wärmemenge unterschiedlich stark auf.
Als erster Schritt kann festgestellt werden, dass die Temperaturerhöhung des Materials, bezogen auf sein Einheitsgewicht, direkt proportional zur eingebrachten Wärmemenge ist. Der Proportionalitätsfaktor ist jedoch von Material zu Material unterschiedlich. Wenn also ein Stoff mit einer Masse von 1 kg von der Temperatur ϑ1 auf die Temperatur ϑ2 erwärmt wird, kann für die dafür notwendige Wärmemenge Q folgender Zusammenhang beschrieben werden:
Gl. 1
Legende:
| Q ... | Wärmemenge (Wärmeenergie) [J = Joule] |
| c ... | spezifische Wärmekapazität [J/kg.K] |