Was passiert, wenn Materie zwischen einem Festkörper, einer Flüssigkeit und einem Gas übergeht?

Alle Stoffe durchlaufen mit steigender Temperatur Phasenübergänge. Beim Erhitzen beginnen die meisten Materialien als Feststoffe und schmelzen zu Flüssigkeiten. Bei mehr Hitze verkochen sie zu Gasen. Dies geschieht, weil die Energie der Wärmeschwingungen in Molekülen die Kräfte überwältigt, die sie zusammenhalten. In einem Festkörper halten Kräfte zwischen Molekülen sie in starren Strukturen. Diese Kräfte schwächen sich in Flüssigkeiten und Gasen stark ab, sodass eine Substanz fließen und verdampfen kann.

Wissenschaftler nennen Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase die Phasen eines Stoffes. Wenn es schmilzt, gefriert, kocht oder kondensiert, durchläuft es einen Phasenübergang. Obwohl viele Substanzen ein ähnliches Phasenübergangsverhalten aufweisen, hat jede einen einzigartigen Satz von Temperaturen und Drücken, die bestimmen, an welchem ​​​​Punkt sie schmilzt oder kocht. Zum Beispiel gefriert Kohlendioxidgas bei minus 109 Grad Fahrenheit bei Normaldruck direkt zu Trockeneis. Es hat nur bei hohen Drücken eine flüssige Phase.

Wenn Sie einen Feststoff erhitzen, steigt seine Temperatur stetig an. Jedes Grad Temperaturerhöhung verbraucht etwa gleich viel Wärmeenergie. Sobald es seinen Schmelzpunkt erreicht hat, bleibt die Temperatur jedoch konstant, bis die gesamte Substanz schmilzt. Die Moleküle benötigen zusätzliche Energie, die sogenannte Fusionswärme, um sich zu verflüssigen. Die gesamte Energie an diesem Punkt wird verwendet, um die Substanz flüssig zu machen. Das gleiche passiert bei kochenden Flüssigkeiten. Sie benötigen Energie, die sogenannte Verdampfungswärme, um den Übergang zu Gas zu vollziehen. Sobald die gesamte Substanz den Übergang vollzieht, erhöht mehr Energie die Temperatur wieder.

Kräfte zwischen Molekülen, einschließlich der Londoner Dispersionskraft und Wasserstoffbrückenbindungen, bilden Kristalle und andere feste Formen, wenn die Temperaturen niedrig genug sind. Die Stärke der Kräfte bestimmt die Schmelztemperatur. Stoffe mit sehr schwachen Kräften schmelzen bei tiefen Temperaturen; starke Kräfte erfordern hohe Temperaturen. Bei ausreichender Wärmeenergie schmelzen oder kochen schließlich alle Stoffe.

Die gleichen Mechanismen, die das Schmelzen bestimmen, gelten für das Sieden. Die Moleküle in einer Flüssigkeit haben schwache Kräfte, die sie zusammenhalten. Hitze lässt sie stark vibrieren und vom Rest wegfliegen. In einer kochenden Flüssigkeit haben einige Moleküle relativ niedrige Energien, die meisten haben einen durchschnittlichen Energiebereich und einige haben Energien, die hoch genug sind, um der Flüssigkeit vollständig zu entkommen. Mit mehr Wärme entweichen mehr Moleküle. In der Gasphase sind keine Moleküle mehr aneinander gebunden.