Aggregatzustandswechsel

07.03.2004  

Inhalt

Aggregatzustandswechsel

Verändert sich der Aggregatzustand eines Stoffes, so spricht man von einem Aggregatzustandswechsel. Entsprechend der Existenz der drei Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig gibt es sechs Arten von Aggregatzustandswechsel:

beteiligte Aggregatzustände Bezeichnung
fest -> flüssig schmelzen
flüssig -> fest erstarren
flüssig -> gasförmig verdampfen
gasförmig -> flüssig kondensieren
fest -> gasförmig sublimieren
gasförmig -> fest resublimieren

 

Aggregatzustandswechsel im offenen System

Über einem offenen System lastet der Luftdruck. Als Normaldruck gilt in den Naturwissenschaften allgemein der Luftdruck von 1013 hPa. Bekannt ist, dass Wasser bei Normaldruck in einem offenen Gefä bei genau 0 C in zwei Aggregatzuständen vorkommt, dem Eis und dem flüssigen Wasser. Ebenso ist bekannt, dass bei Normaldruck bei genau 100 C flüssiges Wasser und Wasserdampf nebeneinander existieren. Mit diesen beiden Zustandsgleichgewichten des Wassers wurde ursprünglich die Temperaturskala Grad Celsius [C]   festgelegt.

Aggregatzustandswechsel bei Wasser

Am Beispiel Wasser sollen die Vorgänge beim Erhitzen unter gleichbleibendem Luftdruck (offenes Gefä) erläutert werden.
Eis, das einem Tiefkühlfach entnommen wird, besitzt eine Temperatur von etwa -20 C. Erwärmt man dieses Eis, so steigt die Temperatur, ohne dass sich zunächst flüssiges Wasser bildet. Erreicht man die Temperatur von 0 C, so ändert sich die Temperatur nicht weiter, statt dessen bildet sich nach und nach flüssiges Wasser.
Bei dem Gemisch aus Eis und flüssigem Wasser wird die zugeführte Wärmeenergie dazu benutzt, den festen Zusammenhalt zwischen den Eisbestandteilen aufzubrechen. Die Energie, die zur Umwandlung eines Aggregatzustandes in einen anderen nötig ist, nennt man  latente Wärmeenergie (latent lat. versteckt), weil sie nicht an einer Temperaturänderung zu erkennen ist. Diese Energie bezeichnet man mit Schmelzenergie.

Ähnliches geschieht bei der Zufuhr von Wärmeenergie auf ein Gemisch aus flüssigen Wasser und Wasserdampf in einem offenen Gefä bei 100 C. Auch hier dient die aufgenommene Wärmeenergie zum Aufbrechen der letzten nur noch schwachen Bindungen zwischen den schon beweglichen (flüssigen) Wasserteilchen, die dann vollständig losgelöst aus dem Wasser als Gas in den Raum über dem Wasser entweichen. Die Energie, die zum Verdampfen nötig ist wird ebenfalls als latente Wärmeenergie gespeichert, der Verdampfungsenergie.

Beim Sieden muss zusätzlich noch mechanische Arbeit geleistet werden, da der Dampf die Luft über der Flüssigkeit wegdrücken muss, denn Gase besitzen immer mehr Platzbedarf  als die gleiche Masse der Flüssigkeit.

Erst, wenn alles Wasser in den gasförmigen Zustand übergetreten ist, führt weitere Energiezufuhr zur Temperaturerhöhung des gasförmigen Wassers. So werden Dampfturbinen zur Erzeugung von elektrischem Strom mit Wasserdampf von über 300 C betrieben.

Kühlt man dem Wasserdampf wieder ab, so sinkt bei normalem Luftdruck zunächst  die Temperatur bis auf 100 C. Dann kondensiert das Gas zu Wassertropfen, wobei die Temperatur trotz der Wärmeabgabe bei 100 C bleibt. Dabei wird die vorher aufgenommene latente Wärme als Kondensationswärme vollständig wird abgegeben. Kondensationswärme und Verdampfungswärme sind genau gleich gro. In einem offenen Gefä muss erst alles Wasser bis auf einen kleinen Gasanteil, der immer im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit ist, kondensieren. Erst danach kann die Temperatur bis auf 0 C weiter sinken.

Beim Erreichen von 0 C wird die latente Wärmeenergie, die zum Schmelzen nötig war, als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgegeben. Dabei bilden sich feste Zusammenhalte zwischen den einzelnen Teilchen der Flüssigkeit, die somit zum Feststoff wird. Die Erstarrungswärme und die Schmelzwärme sind genau gleich gro.

 

Literatur

Autor (Text):

Klaus-G. Häusler

weitere Literatur:

Musterprotokoll: Erhitzen von Eis/Wasser
Anfangsunterricht Schwefel schmelzen und erstarren: P. Schwarz

 

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