Aggregatzustände, Teilchenmodell und Energie

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, unmöglich.

Wie man sieht, gibt es also fundamentale Unterschiede. Diese bestehen im Aggregatzustand des jeweiligen Stoffes. 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 (Das ist 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 dass 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:

Physik; Wärme und Energie; 1. Sek / Bez / Real; Aggregatzustände, Teilchenmodell und Energie

1.)	Die Temperatur nimmt von links nach rechts im Bild immer mehr zu.
2.)	Schmelzen (Übergang von fest zu flüssig)
3.)	Sieden (Übergang von flüssig zu gasförmig)
4.)	Kondensieren (Übergang von gasförmig zu flüssig)
5.)	Erstarren (Übergang von flüssig zu fest)

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, z. B. 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

Mithilfe 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.

Physik; Wärme und Energie; 1. Sek / Bez / Real; Aggregatzustände, Teilchenmodell und Energie

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.

Physik; Wärme und Energie; 1. Sek / Bez / Real; Aggregatzustände, Teilchenmodell und Energie

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.

Physik; Wärme und Energie; 1. Sek / Bez / Real; Aggregatzustände, Teilchenmodell und Energie

Energie

Da Energie notwendig ist, um einen Stoff von fest zu flüssig umzuwandeln, oder von flüssig zu gasförmig, kann man es auch so betrachten, dass in Gasen und Flüssigkeiten Energie gespeichert ist. Diese Energie kann genutzt werden, wenn man einen Stoff erstarren lässt, oder beim Kondensieren.

Dieses Prinzip wird unter anderem von Taschenwärmern genutzt. Ihr Inhalt ist im "kalten" Zustand flüssig. Wenn der Inhalt vom Taschenwärmer fest wird, dann gibt er seine gespeicherte Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab. Diese Energie wird durch die Aggregatzustandsänderung frei.

Das folgende Bild soll dieses Prinzip noch etwas genauer darstellen:

Physik; Wärme und Energie; 1. Sek / Bez / Real; Aggregatzustände, Teilchenmodell und Energie

A)	Temperatur $T$ in $°C$
B)	zunehmende Energie $E_{zu}$ in $kJ$
1.)	Siedetemperatur
2.)	Schmelztemperatur
3.)	gasförmig
4.)	Siedepunkt (Übergang von flüssig zu gasförmig)
5.)	flüssig
6.)	Schmelzpunkt (Übergang von fest zu flüssig)
7.)	fest

Wie man sehen kann, bleibt während der Umwandlung von Aggregatzuständen die Temperatur gleich, obwohl Energie zugeführt wird. Während der Umwandlung zwischen den Aggregatzuständen wird die potenzielle Energie der Teilchen erhöht. Die kinetische Energie bleibt während der Umwandlung allerdings gleich. Beim Erstarren bzw. beim Kondensieren eines Stoffes wird die potenzielle Energie dann wieder an die Umgebung abgegeben.

Wenn nach der Aggregatzustandsänderung weiterhin Energie zugeführt wird, dann erhöht sich die innere Energie der Teilchen. Damit erhöht sich vor allem die kinetische Energie der Teilchen und der Stoff wird wärmer.

Spezifische Schmelz- und Verdampfungswärme

Wie viel Energie genau in einem Aggregatzustand gespeichert werden kann, hängt vom betrachteten Stoff ab. Dies wird auf der einen Seite quantifiziert durch die spezifische Schmelzwärme. Diese wird benötigt, um den jeweiligen Stoff zu schmelzen. Erstarrt der Stoff wieder, so wird dieselbe Wärmemenge in Form von Erstarrungswärme wieder frei.

$Q_{\text{Schmelz}}=q_{\text{Schmelz}}\cdot m$

Hierbei ist $Q_{\text{Schmelz}}$ die Wärme, welche zum Schmelzen nötig ist, $q_{\text{Schmelz}}$ die spezifische Schmelzwärme und $m$ die Masse.

Auf der anderen Seite wird die Energiemenge quantifiziert durch die spezifische Verdampfungsmenge. Diese wird frei, wenn ein Stoff verdampft. Wenn der Stoff wieder kondensiert, wird dieselbe Wärmemenge in Form von Kondensationswärme frei.

$Q_{\text{Dampf}}=q_{\text{Dampf}}\cdot m$

Hierbei ist $Q_{\text{Dampf}}$ die Menge, welche zum Verdampfen nötig ist, $q_{\text{Dampf}}$ die spezifische Verdampfungswärme und $m$ die Masse.