Phasenübergänge: Typen, Klassifizierungen, Eigenschaften und Beispiele (mit Diagramm)

Jeder hat eine Erinnerung daran, als er ein Kind war und Eiscreme unerwartet (und ungewollt) schmelzen ließ. Vielleicht warst du am Strand und hast versucht, mit den Strömen von geschmolzenem Eis Schritt zu halten, die dir über die Finger liefen, aber dann fiel die ganze Kugel in den Sand. Vielleicht haben Sie ein Eis am Stiel zu lange in der Sonne gelassen und sind zu einer leuchtend bunten Pfütze mit zuckerhaltigem Wasser zurückgekehrt. Was auch immer Ihre Erfahrung ist, die meisten Menschen haben eine klare Erinnerung an etwas in derFestphaseÜbergang zumFlüssigphase, und die Folgen dieser Änderung.

Natürlich haben Physiker eine spezifische Sprache, um diese Phasenänderungen zwischen verschiedenen Aggregatzuständen zu beschreiben. Es sollte nicht überraschen, dass die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Materialien ihr Verhalten bestimmen, einschließlich der Temperaturen, bei denen sie Phasenänderungen unterliegen. Lernen Sie, wie Sie die Energie berechnen, die bei diesen Phasenwechseln verbraucht wird, und ein wenig über die relevanten physikalischen Eigenschaften ist entscheidend, um alles zu verstehen, vom Schmelzen von Eis bis hin zu ungewöhnlicheren Prozessen wie Sublimation.

Die meisten Menschen kennen die drei Hauptphasen der Materie: fest, flüssig und gasförmig. Es gibt jedoch noch einen vierten Aggregatzustand namens Plasma, der später in diesem Artikel kurz beschrieben wird. Festkörper sind am einfachsten zu verstehen; Materie im festen Zustand behält ihre Form und ist nicht in nennenswertem Maße komprimierbar.

Am Beispiel von Wasser ist Eis der Festkörper, und es ist intuitiv klar, dass Eis vor Ihnen brechen würde konnten es auf ein kleineres Volumen komprimieren, und selbst dann würde das gebrochene Eis immer noch dasselbe aufnehmen Volumen. Als mögliches Gegenbeispiel könnte man sich auch einen Schwamm vorstellen, aber in diesem Fall, wenn man ihn "komprimiert", ist man wirklich Entfernen Sie einfach alle Luftlöcher, die es in seinem natürlichen Zustand enthält – der eigentliche Feststoff kommt nicht komprimiert.

Flüssigkeiten nehmen die Form des Behälters an, in dem sie sich befinden, sind aber wie Feststoffe nicht komprimierbar. Auch hier ist flüssiges Wasser das perfekte Beispiel dafür, weil es so bekannt ist: Man kann Wasser in jeden geben Form des Behälters, aber Sie können ihn nicht physisch komprimieren, um weniger Volumen aufzunehmen als in seiner natürlichen Form Zustand. Gase wie Wasserdampf hingegen füllen die Form des Behälters aus, in dem sie sich befinden, können aber komprimiert werden.

Das Verhalten jedes einzelnen wird durch seine atomare Struktur erklärt. In einem Festkörper gibt es eine regelmäßige Gitteranordnung der Atome, es bildet sich also eine Kristallstruktur oder zumindest eine amorphe Masse, weil die Atome fixiert sind. In einer Flüssigkeit können sich die Moleküle oder Atome frei bewegen, sind aber teilweise durch Wasserstoffbrücken verbunden, sodass sie frei fließen, aber eine gewisse Viskosität haben. In einem Gas sind die Moleküle vollständig getrennt, ohne dass zwischenmolekulare Kräfte sie zusammenhalten, weshalb sich ein Gas viel freier ausdehnen und komprimieren kann als Feststoffe oder Flüssigkeiten.

Wenn Sie einem Feststoff Wärme hinzufügen, erhöht er seine Temperatur, bis er seinen Schmelzpunkt erreicht, woraufhin sich die Dinge ändern. Die Wärmeenergie, die Sie hinzufügen, sobald Sie den Schmelzpunkt erreicht haben, ändert die Temperatur nicht; es liefert Energie für den Phasenübergang von der festen Phase in die flüssige Phase, allgemein als Schmelzen bezeichnet.

Die Gleichung, die den Schmelzprozess beschreibt, lautet:

WoL​_f ist die latente Schmelzwärme des Materials,ichist die Masse des Stoffes undQwird die Wärme hinzugefügt. Wie die Gleichung zeigt, sind die Einheiten der latenten Wärme Energie/Masse oder Joule pro kg, g oder ein anderes Massemaß. Die latente Schmelzwärme wird manchmal als Schmelzenthalpie oder manchmal nur als latente Schmelzwärme bezeichnet.

Für jede bestimmte Substanz – zum Beispiel wenn Sie speziell das Schmelzen von Eis betrachten – gibt es eine bestimmte Übergangstemperatur, bei der dies geschieht. Beim Schmelzen von Eis zu flüssigem Wasser beträgt die Phasenübergangstemperatur 0 Grad Celsius oder 273,15 Kelvin. Sie können die latente Schmelzwärme für viele gängige Materialien online nachschlagen (siehe Ressourcen), aber für Eis beträgt sie 334 kJ/kg.

Der gleiche Vorgang wie beim Schmelzen findet beim Verdampfen eines Stoffes statt, nur dass die Temperatur, bei der der Phasenübergang stattfindet, der Siedepunkt des Stoffes ist. Genauso geht aber auch die zusätzliche Energie, die Sie dem Stoff an dieser Stelle geben, in den Phasenübergang, in diesem Fall von der Flüssig- in die Gasphase. Der hier verwendete Begriff ist die latente Verdampfungswärme (oder die Verdampfungsenthalpie), aber das Konzept ist genau das gleiche wie bei der latenten Schmelzwärme.

Die Gleichung hat auch die gleiche Form:

WoL​_v diese Zeit ist die latente Verdampfungswärme (siehe Ressourcen für eine Wertetabelle für gängige Materialien). Auch hier gibt es für jede Substanz eine spezifische Übergangstemperatur, wobei flüssiges Wasser diesen Übergang bei 100 °C oder 373,15 Kelvin durchläuft. Wenn Sie also eine bestimmte Masse erhitzenichWasser von Raumtemperatur bis zum Siedepunkt und dann verdampfen, gibt es zwei Stufen bis die Berechnung: die Energie, die benötigt wird, um es auf 100 C zu bringen, und dann die Energie, die zum Verdampfen benötigt wird es.

Obwohl der Phasenübergang von fest zu flüssig (d. h. Schmelzen) und der von flüssig zu gasförmig (Verdampfen) am häufigsten anzutreffen sind, gibt es viele andere Übergänge, die auftreten können. Bestimmtes,Sublimationist, wenn ein Stoff einen Phasenübergang von einer festen Phase direkt in eine gasförmige Phase durchläuft.

Das bekannteste Beispiel für dieses Verhalten ist Trockeneis, das eigentlich festes Kohlendioxid ist. Bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck sublimiert es direkt in Kohlendioxidgas, was es zu einer häufigen Wahl für Theaternebeleffekte macht.

Das Gegenteil von Sublimation istAblage, bei dem ein Gas eine Zustandsänderung direkt in einen Festkörper erfährt. Dies ist eine andere Art von Phasenübergang, die weniger häufig diskutiert wird, aber immer noch in der Natur vorkommt.

Der Druck hat einen großen Einfluss auf die Temperatur, bei der Phasenübergänge auftreten. Bei einem höheren Druck ist der Verdampfungspunkt höher und er verringert sich bei niedrigeren Drücken. Aus diesem Grund kocht Wasser in höheren Lagen bei einer niedrigeren Temperatur, weil der Druck niedriger ist und damit auch der Siedepunkt. Dieser Zusammenhang wird normalerweise in einem Phasendiagramm dargestellt, das Achsen für Temperatur und Druck sowie Trennlinien für die feste, flüssige und gasförmige Phase des jeweiligen Stoffes aufweist.

Wenn Sie sich ein Phasendiagramm genau ansehen, werden Sie feststellen, dass es einen bestimmten Punkt gibt, an dem sich die Substanz im Schnittpunkt aller drei Hauptphasen (d. h. der Gas-, Flüssig- und Festphase) befindet. Das nennt mandreifacher Punkt, oder der kritische Punkt für den Stoff, und tritt bei einer bestimmten kritischen Temperatur und einem kritischen Druck auf.

Der vierte Aggregatzustand ist Plasma. Dies unterscheidet sich ein wenig von den anderen Aggregatzuständen, da es sich technisch gesehen um ein ionisiertes Gas handelt (d. h. Elektronen wurden entfernt). die konstituierenden Atome haben also eine elektrische Nettoladung), und daher hat es keinen Phasenübergang wie die anderen Zustände von Angelegenheit.

Sein Verhalten unterscheidet sich jedoch stark von einem typischen Gas, denn obwohl es elektrisch „quasi-neutral“ ist (weil es die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen im Gas gibt)ganzePlasma) gibt es konzentrierte Ladungstaschen und daraus resultierende Ströme. Plasmen reagieren auch auf elektrische und magnetische Felder in einer Weise, die ein typisches Gas nicht würde.

Eine der bekanntesten Methoden, Übergänge zwischen verschiedenen Phasen zu beschreiben, ist das Ehrenfest-Klassifikationssystem, die Übergänge in Phasenübergänge erster und zweiter Ordnung aufspaltet, und das moderne System basiert stark auf diese. Die "Ordnung" des Übergangs bezieht sich auf die Ableitung niedrigster Ordnung der thermodynamischen freien Energie, die eine Diskontinuität zeigt. Zum Beispiel sind die Übergänge zwischen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen Phasenübergänge erster Ordnung, weil die latente Wärme eine Diskontinuität in der Ableitung der freien Energie erzeugt.

Ein Phasenübergang zweiter Ordnung hat eine Diskontinuität in der zweiten Ableitung der freien Energie, aber es ist keine latente Wärme in den Prozess involviert, daher werden sie als kontinuierliche Phase betrachtet Übergänge. Beispiele sind der Übergang zur Supraleitung (d. h. der Punkt, an dem etwas zum Supraleiter wird) und der ferromagnetische Phasenübergang (wie durch das Ising-Modell beschrieben).

Die Landau-Theorie wird verwendet, um das Verhalten eines Systems zu beschreiben, insbesondere um einen kritischen Punkt herum. Im Allgemeinen gibt es Symmetriebrechungen bei der Phasenübergangstemperatur, und dies ist besonders nützlich bei Beschreibung von Übergängen in Flüssigkristallen, wobei die Hochtemperaturphase mehr Symmetrien enthält als die Niedertemperaturphase Phase.

Nehmen wir an, Sie haben einen 1-kg-Eisblock bei 0 ° C und möchten das Eis schmelzen und die Temperatur auf 20 ° C erhöhen, etwas über der normalen Raumtemperatur. Wie bereits erwähnt, besteht jede Berechnung wie folgt aus zwei Teilen: Sie müssen die Phase berechnen ändern und dann den üblichen Ansatz verwenden, um die Energie zu berechnen, die benötigt wird, um die Temperatur um den angegebenen Wert zu erhöhen Menge.

Die latente Schmelzwärme für Wassereis beträgt 334 kJ/kg, also unter Verwendung der Gleichung von früher:

Das Schmelzen von Eis, speziell 1 kg, benötigt also 334 Kilojoule Energie. Wenn Sie mit einer größeren oder kleineren Eismenge arbeiten, werden die 1 kg natürlich einfach durch den entsprechenden Wert ersetzt.

Wenn diese Energie nun auf das Eis übertragen wurde, ändert sich die Phaseabernoch eine Temperatur von 0 C haben. Um die Wärmemenge zu berechnen, die Sie hinzufügen müssen, um die Temperatur auf 20 °C zu erhöhen, müssen Sie einfach die spezifische Wärmekapazität von Wasser nachschlagen (C= 4.182 J/kg°C) und verwenden Sie den Standardausdruck:

WoTsteht für die Temperaturänderung. Mit den uns vorliegenden Informationen ist dies leicht zu errechnen: Die benötigte Temperaturänderung beträgt 20 C, der Rest des Prozesses besteht also nur darin, die Werte einzugeben und zu berechnen:

Der gesamte Prozess (d. h. Schmelzen des Eises und Erhitzen des Wassers) erfordert daher:

Die meiste Energie stammt also aus dem Schmelzprozess und nicht aus dem Erhitzen. Beachten Sie, dass diese Berechnung nur funktionierte, weil die Einheiten durchweg konsistent waren – die Masse war immer in kg und die Energie wurde für die letzte Addition in kJ umgerechnet – und Sie sollten dies immer überprüfen, bevor Sie versuchen a attempt Berechnung.

Stellen Sie sich nun vor, Sie nehmen die 1 kg Wasser mit 20 °C aus dem letzten Beispiel und wollen es in Wasserdampf umwandeln. Versuchen Sie, dieses Problem zu lösen, bevor Sie weiterlesen, da der Vorgang im Wesentlichen derselbe ist wie zuvor. Zuerst müssen Sie berechnen, wie viel Wärmeenergie erforderlich ist, um das Wasser zum Siedepunkt zu bringen, und dann können Sie berechnen, wie viel zusätzliche Energie erforderlich ist, um das Wasser zu verdampfen.

Die erste Stufe ist genau wie die zweite Stufe des vorherigen Beispiels, außer jetzt ∆T= 80 C, da der Siedepunkt von flüssigem Wasser 100 C beträgt. Die Verwendung derselben Gleichung ergibt also:

Ab dem Punkt, an dem so viel Energie hinzugefügt wurde, wird der Rest der Energie zum Verdampfen der Flüssigkeit verwendet, und Sie müssen ihn mit dem anderen Ausdruck berechnen. Das ist:

WoL​_v = 2256 kJ/kg für flüssiges Wasser. Beachten Sie, dass in diesem Beispiel 1 kg Wasser enthalten ist, können Sie Folgendes berechnen:

Die Addition beider Teile des Prozesses ergibt die erforderliche Gesamtwärme:

Beachten Sie noch einmal, dass die überwiegende Mehrheit der in diesem Prozess verwendeten Wärmeenergie (wie bei schmelzendem Eis) in der Phasenumwandlung und nicht in der gewöhnlichen Heizphase stattfindet.