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Wechsel der Aggregatzustände

Schlagwörter: Aggregatzustand, Aggregatszustände, fest, flüssig, gasförmig, Volumen, Dichte, Schmelzen, Erstarren, Verdampfen, Verdunsten, Kondensieren, Sublimieren, Resublimieren

Aggregatzustände
01 Aggregatzustände

Stoffe können in den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig auftreten. Beim Wechsel der Aggregatzustände unterscheiden wir zwischen folgenden Übergängen:

  • Schmelzen 
  • Verdampfen; Verdunsten
  • Sublimieren 
  • Erstarren 
  • Kondensieren 
  • Resublimieren

Experiment zu den Aggregatzuständen

Im folgenden Experiment wollen wir Eis zu Wasser Schmelzen und dann Verdampfen. Dazu füllen wir zerstoßenes Eis in ein Becherglas und bestimmen zunächst die Masse des Eises.

Spezifische Wärmekapazität Experiment Aufbau
02 Experiment Schmelz- und Verdampfungswärme

Material:

  • Eis (zerstoßen)
  • Thermometer
  • Becherglas
  • Uhr
  • Bunsenbrenner

Durchführung

03 Tabelle Messwerte

Wir stellen das Thermometer in das mit Eis gefüllte Becherglas und warten, bis sich die Temperatur nicht mehr ändert.

Diese Temperatur nehmen wir für den Zeitpunkt t=0 s auf.

Jetzt stellen wir den Brenner unter das Becherglas und messen in Abhängigkeit von der Zeit  die Temperatur. Dabei sollten wir darauf achten, dass das Thermometer nicht auf dem Boden steht, um die Messwerte nicht zu verfälschen. Wir erhalten die Messwerttabelle ►03.

Die Wärmezufuhr muss während des gesamten Messvorgangs konstant sein.

Auswertung

04 Zeit-Temperatur-Diagramm

Am Diagramm erkennen wir, dass die Temperatur des Eises fast linear ansteigt. Auch der Temperaturanstieg des Wassers findet fast linear statt. Dabei ist die Steigung beim Wasser aber kleiner als beim Eis.

Wir können den Verlauf des Zeit-Temperatur-Graphen in 5 Abschnitte unterteilen. (Den letzten Abschnitt (V) können wir mit diesem Aufbau nicht mehr messen.►05)

Diagramm Phasenübergänge
05 Energie-Temperatur-Diagramm

Da wir während des Experiments eine gleichmäßige Energie zuführen, ist E~t. Damit können wir auf der x-Achse statt der Zeit t auch die Energie E darstellen. 

Die Vorgänge in den Intervallen I, III und V kennen wir bereits. Aber was passiert in den Intervallen II und IV?

Trotz einer gleichmäßigen Wärmezufuhr steigt die Temperatur nicht. Wird hier der Energieerhaltungssatz verletzt?

Schmelz- und Verdampfungswärme

Die Energie, die dem Eis bzw. dem Wasser in den Intervallen II und IV zugeführt wird, wird benötigt, um die Bindungen zwischen den Teilchen aufzubrechen.

Im festen Zustand wirken zwischen den Teilchen hohe Bindungskräfte. Die Teilchen liegen dicht beieinander und verleihen dem Stoff eine feste Form (vgl. Kaffeekanne).

Die Energie, die erforderlich ist, diese Bindungen aufzubrechen, ist die Schmelzenergie bzw. Schmelzwärme.

Im flüssigen Zustand wirken zwischen den Teilchen kleinere Bindungskräfte. Die Abstände der Teilchen sind etwas größer als im festen Zustand. Flüssigkeiten sind durch die Kräfte zwischen den Teilchen (Kohäsionskraft) aneinander gebunden. Sie können aber ihre Form dem umschließenden Gefäß anpassen.

Die Energie, die erforderlich ist, um diese Bildungen aufzubrechen, ist die Verdampfungsenergie bzw. Verdampfungswärme.

Schmelzwärme und Verdampfungswärme sind materialspezifische Größen.

spezifische Schmelzwärme Tabelle
06 Tab spezifische Schmelzwärme
spezifische Verdampfungswärme Tabelle
07 Tab spezifische Verdampfungswärme

Verdunsten

Wasser kann aber auch unterhalb der Siedetemperatur von flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Wir kennen diesen Vorgang als Verdunsten.

Heimexperiment

Durchführung

Fülle zwei Gläser mit gleich viel Wasser und markiere die Füllhöhe. Stelle jetzt das eine Glas auf die Fensterbank (Sonnenseite) und das andere Glas an einen kühlen, schattigen Ort (z.B. Keller). Vergleiche die Wasserstände an den Folgetagen.

Beobachtung

Obwohl an beiden Orten Temperaturen deutlich unter 100°C herrschten, hat die Wassermenge abgenommen. Im Glas auf der Fensterbank sollte deutlich weniger Wasser, als im anderen Glas sein. Das Wasser ist verdunstet.

Warum wechselt Wasser unter der Siedetemperatur in den gasförmigen Zustand?

Temperatur ist das mittlere Maß der kinetischen Energie aller Teilchen eines Körpers. Wenn wir auf dem Thermometer 25°C ablesen, dann ist das mikroskopisch betrachtet nur ein Durchschnittswert. Einige Teilchen sind etwas schneller, dafür sind andere etwas langsamer. Das ist wie bei einer Klassenarbeit. Der Durchschnitt der Arbeit war 2,8. Trotzdem gab es von 1 bis 6 alle Zensuren. Das können wir auch auf die Geschwindigkeit der Teilchen übertragen. Einige Teilchen des Wassers haben auch bei Raumtemperatur ausreichend Energie, um in den gasförmigen Zustand zu wechseln. Wenn aber die Teilchen mit der größten Energie das Wasser als Wasserdampf verlassen, dann sinkt die Durchschnittstemperatur. (Das ist so, als würden bei einer Klassenarbeit alle Einsen aussortiert werden. Das senkt auch den Durchschnitt der Arbeit.)

Wenn Wasser verdunstet, dann entzieht es auch der Umgebung Energie von Wärme. Das verbleibende Wasser bzw. die Umgebung kühlt sich ab. Das bezeichnen wir als Verdunstungskälte.

Das Phänomen des Verdunstens und der dabei auftretenden Verdunstungskälte nutzt unser Körper beim Schwitzen.

Was passiert mit der Energie beim Kondensieren und Erstarren?

Wenn Wasserdampf kondensiert, dann gehen die Teilchen wieder festere Bindungen ein. Dabei wird Energie frei. Diese Energie ist die Kondensationswärme.

Wenn Wasser gefriert, dann gehen die Teilchen im festen Zustand festere Bindungen ein. Dabei wird Energie frei. Diese Energie ist die Erstarrungswärme.

Beide Vorgänge werden von uns teilweise bewusst und teilweise unbewusst genutzt.

Nutzen der Energien beim Wechsel der Aggregatzustände

Warum schwitzen wir?

Wenn uns warm ist, dann beginnen unsere Schweißdrüsen Flüssigkeit (salziges Wasser) abzugeben. Die Oberfläche unserer Haut wird feucht. Warum?

schwitzen
08 Schwitzen

Das Wasser verdunstet. Beim Verdunsten geht das Wasser vom flüssigen in den festen Aggregatzustand über. Für den Wechsel des Aggregatzustands wird Verdampfungs- bzw. Verdunstungsenergie benötigt. Diese Energie wird dem Körper entzogen. Dabei kühlt sich der Körper ab (Verdunstungskälte) und wird so vor Überhitzung geschützt. Das Schwitzen ist also eine körpereigene Klimaanlage.

Warum sprengen Obstbauern ihr Bäume im Frühjahr bei Morgenfrösten?

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09 vereiste Obstblüte // Quelle: Dr. H. Welte

Im Frühjahr, wenn die Obstbäume bereits blühen, kann es noch zu Nacht- oder Morgenfrösten kommen. Diese könnten die Blüten der Obstbäume zerstören.

Wenn die Bäume jetzt bei Temperaturen unter 0°C mit Wasser besprüht werden, dann kann das Wasser gefrieren. Dabei wird die Erstarrungswärme frei und kann die Blüten kurzzeitig schützen. Das funktioniert aber nicht bei sehr tiefen Temperaturen. Eine Seite, die das aus Sicht der Obstbauern noch genauer beschreibt, findet ihr hier.

Ein weiteres Beispiel für die Nutzung der Verdunstungskälte ist die Trinkente.

Trinkente Aufbau
10 Trinkente

Kondensieren

Kondensieren bezeichnet den Prozess, bei dem ein Körper vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Es ist also die Umkehrung des Verdampfens. Beim Kondensieren wird Energie freigesetzt.

Wenn sich ein Gas unter seine Siedetemperatur abkühlt (p=konst.), dann wird dem System Energie entzogen. Die Teilchen bewegen sich langsamer und das Gas kann kondensieren. 

Damit ein Gas kondensiert, reicht aber keine hinreichend niedrige Temperatur aus. Das können wir z.B. am Himmel um ein Flugzeug herum beobachten.

In Reiseflughöhen zwischen 10 km und 12 km beträgt die Temperatur zwischen -40°C und -65°C. Bei diesen Temperaturen müsste der Wasserdampf kondensieren oder sogar resublimieren. Das können wir so nicht beobachten. Warum?

Flugzeug-Kondenzstreifen
11 Flugzeug - Kondensstreifen

Der Luftdruck in den Reiseflughöhen liegt zwischen 150 hPa und 250 hPa, also ca. 15% bis 25% des Normaldrucks. Mit dem fallenden Luftdruck sinken auch die Schmelz- und Verdampfungstemperaturen.  Es stehen aber auf dem gleichen Raum auch wenige Moleküle zur Verfügung, die eine festere Bindung mit Nachbarmolekülen einnehmen könnten. Obwohl also der Wasserdampf Temperaturen unterhalb seiner Schmelztemperatur hat, kommt es nicht zur Kondensation oder Resublimation.

ungewöhnliche Kondensstreifen
12 Werbung für eine „Airshow“
ungewöhnliche Kondensstreifen
13 Übungen für eine „Airshow“

Kondensationskeime

Wenn jetzt aus den Triebwerken des Flugzeugs kleine Partikel (Staub, Ruß, …) ausgestoßen werden, dann können sich die Wasserdampfmoleküle dort anlagern und kondensieren. Die Partikel, an denen sich der Wasserdampf anlagert, werden auch Kondensationskeime genannt.

Etwas Ähnliches können wir auch beim Duschen beobachten. Nach dem besonders warmen Duschen ist die Luftfeuchtigkeit im Badezimmer sehr hoch. Das Badezimmer hat eine Temperatur von ca. 25°C. Das ist deutlich unter der Siedetemperatur. Trotzdem „regnet“ es im Badezimmer nicht. Wir können aber auf den kalten Fliesen und dem Spiegel sehen, wie der Wasserdampf kondensiert ist. Auch hier benötigt der Wasserdampf Kondensationskeime. Diese sind hier der Spiegel und die Fliesen.