Aggregatzustände und das Teilchenmodell

Aggregatzustände

Verschiedene Stoffe haben oft sehr unterschiedliche Erscheinungsbilder und Eigenschaften. Während man im Wasser schwimmen kann, wäre dies in einem Schwimmbecken, in welchem ein riesiger Eisenblock liegt absolut undenkbar. Während man auf einem Weg aus Pflastersteinen stehen und laufen kann, wäre dies wenn man von einem Sprungturm springt und versucht, auf der Luft zu laufen, absolut unmöglich.

Wie man sieht, gibt es also fundamentale Unterschiede. Diese bestehen im Aggregatzustand der jeweiligen Stoffe. Es gibt drei verschiedene Aggregatzustände, welche Stoffe einnehmen können.

Fest

Feste Stoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffe von einer eher härteren und kompakteren Struktur sind. Sie haben eine sehr hohe Dichte. Viele feste Stoffe lassen sich dennoch verbiegen oder zerreissen. Man kann nicht einfach durch einen Feststoff durchlaufen. Dafür kann man auf vielen Feststoffen stehen oder Gegenstände daraus bauen. Stoffe im festen Aggregatzustand sind beispielsweise:

• die meisten Metalle (Kupfer, Eisen, Cobalt, ...) bei Raumtemperatur
  
• Holz
• Eis (also Wasser bei einer Temperatur unterhalb von $$0°C$$)​
• Kleidung
  

Flüssig

Flüssige Stoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass sich feste Stoffe durch sie hindurchbewegen können. Flüssigkeiten haben eine niedrigere Dichte als Festkörper. Man kann sie meistens kaum zusammendrücken und sie füllen den Boden von einem Gefäss so weit wie möglich aus, wenn man sie z.B. in eine Tasse schüttet. Flüssige Stoffe sind beispielsweise:

• Wasser bei Raumtemperatur
  
• Getränke im Allgemeinen
• Benzin
• flüssiger Stickstoff (Stickstoff, wenn er kälter ist als $$-196°C$$) ​

Gasförmig

Gasförmige Stoffe sind Stoffe, deren Dichte noch geringer ist, als die von Flüssigkeiten. Gase lassen sich meistens sehr stark zusammendrücken. Feste Körper können sich durch Gase bewegen ohne starke Widerstände zu spüren. Beispiele für gasförmige Stoffe sind:

• ​Luft (In Luft ist vor allem Stickstoff enthalten. Bei Raumtemperaturen ist Stickstoff also gasförmig)
  
• Kohlenstoffdioxid (das ist der Stoff, den wir ausatmen und der in Sprudelwasser in Form von Bläschen nach oben steigt)
  
• Helium bei Raumtemperatur (der Stoff, welcher in Luftballons steckt, wenn diese schweben können)
• Wasserdampf (Wasser, wenn es eine Temperatur über $$100°C$$​ hat)

Wasser als Beispiel

Aggregatzustände sind nicht als verschiedene Stoffe aufzufassen, sondern als unterschiedliche Zustände ein und desselben Stoffes. Welchen Aggregatzustand eines gewissen Stoffes man vorfindet, hängt einerseits vom Stoff ab, andererseits von der Temperatur. Bei Wasser kennt man das bereits aus dem Alltag: Wasser unter $$0°C$$ ist fest (Eis), Wasser zwischen $$0°C$$ und $$100°C$$ ist flüssig und Wasser oberhalb von $$100°C$$ ist gasförmig (Wasserdampf).  Bei anderen Stoffen ist es ähnlich, nur das die Temperaturen, bei denen der Übergang zwischen fest und flüssig besteht, bzw. die Temperaturen, bei welchen es zu einem Übergang zwischen flüssig und gasförmig gibt, sehr unterschiedlich sein können.

Zustandsübergänge

Für die Übergänge zwischen den drei Aggregatzuständen gibt es Fachbegriffe:

Das Teilchenmodell

Stell dir vor, Du schneidest ein Blatt Zeichenpapier in zwei Hälften. Dann halbierst Du das Blatt noch einmal. Und noch einmal. Das ganze machst du immer weiter. Doch, wie lange kann man so ein Blatt halbieren? Was ist, wenn man irgendwann das Hilfsmittel wechselt- von einer Schere zu einer Pinzette, bis hin zu Laborwerkzeugen? Geht das Halbieren immer so weiter? Die Antwort auf diese Frage lautet nein. Es gibt einen Punkt, an dem kann man das Blatt nicht mehr weiter zerkleinern. Dieser Punkt ist erreicht, wenn man die einzelnen Teilchen vor sich hat, aus welchen so ein Blatt Papier besteht. Diese Teilchen nennt man Atome. 

Alles Material besteht aus diesen Atomen. Das Gerät, auf dem Du diesen Text gerade liest, die Luft, welche dich umgibt und sogar Du selbst bestehst aus Atomen. Diese sind sehr sehr klein. Zum Vergleich: Die Anzahl der Atome in einem einzigen Salzkorn ist etwa $$1\ 000-$$mal so gross, wie die Anzahl der Haare auf den Köpfen von allen Menschen zusammen. 

Temperaturen 

Mit Hilfe des Teilchenmodells kann man nun verschiedene Phänomene der Thermodynamik erklären, wie beispielsweise die Temperatur. Je wärmer ein Gegenstand ist, desto mehr thermische Energie hat der Gegenstand. Diese thermische Energie setzt sich aus der Bewegungsenergie der einzelnen Atome zusammen. Je schneller sich die Atome bewegen, desto wärmer ist der Gegenstand, welchen die Atome bilden. Dies kann man natürlich auch in die andere Richtung weiter denken: Je langsamer sich die Atome bewegen, desto kälter ist der Gegenstand. Jedoch gibt es dann irgendwann einen Punkt, an welchem sich die Atome gar nicht mehr bewegen. An diesem Punkt ist die kältest mögliche Temperatur erreicht: $$-273{,}15°C$$, der absolute Nullpunkt.

Hinweis: Die thermische Energie eines Stoffes geht auf die mittlere Geschwindigkeit zurück. In jedem Stoff gibt es dennoch Atome die sich etwas schneller bewegen oder etwas langsamer.

Aggregatzustände 

​Atome kannst Du dir vorstellen als sehr kleine Kugeln, welche sich in verschiedene Richtungen bewegen. In festen Stoffen sind diese Kugeln in Form eines Gitters (bzw. Blocks) nebeneinander angeordnet und bewegen sich nur sehr wenig. Es scheint, als würden sich zwischen den Atomen kleine Federn befinden, welche die Atome miteinander verbinden und den Atomen ermöglichen gegeneinander hin- und herzuschwingen. Auch hier gilt wieder: Je stärker die Atome schwingen, desto wärmer ist es. Irgendwann haben die Atome eine so grosse Energie, dass sie sich nicht mehr auf ihren Gitterplätzen halten können. Dann beginnt der Festkörper zu schmelzen und wird zu einer Flüssigkeit. 

Im flüssigen Zustand gibt es keine starren Anordnungen. Die Atome sind dennoch nah beieinander. Sie verschieben sich gegeneinander und stossen manchmal mit anderen Atomen zusammen. Wenn man die Temperatur weiter erhöht, bewegen sich die Teilchen wieder schneller. Irgendwann sind einige der Atome so schnell, dass sie sich von den anderen Atomen wegbewegen. Der Zusammenhalt wird schwächer, die Flüssigkeit verdampft und wird zu einem Gas.

In Gasen ist der Abstand zwischen den einzelnen Atomen noch grösser. Es kommt selten zu Zusammenstössen und die Atome bewegen sich viel schneller als im flüssigen Zustand. Wenn sich die Teilchen schneller bewegen, wird es einfach nur noch wärmer, es kommt allerdings zu keiner weiteren Aggregatzustandsänderung. 

Beispiel:

Welches Bild gehört zu welcher Temperatur und warum?

Gegeben sind die Temperaturen $$T_1=20°C; \qquad T_2=65°C; \qquad T_3=90 °C$$​

A)

B)

C)

Die richtige Zuordnung ist die Folgende: In Topf A) herrscht die niedrigste Temperatur, da sich dort die Teilchen am wenigsten bewegen- also gehört hierzu $$T_1=20°C$$.

Zu Topf B) gehört die höchste Temperatur- einige der Teilchen bewegen sich sogar bereits aus dem Topf heraus- die Flüssigkeit ist kurz vor dem verdampfen. Also gehört hier dazu $$T_3=90°C$$.

Zu Topf C) gehört demnach $$T_2=65°C$$​​