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Zustandsänderungen – die drei Aggregatzustände

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Physik-Team
Zustandsänderungen – die drei Aggregatzustände
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Grundlagen zum Thema Zustandsänderungen – die drei Aggregatzustände

Inhalt

Aggregatzustand – Definition

In der klassischen Physik gibt es genau drei Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Grundsätzlich kann fast jeder Stoff diese Zustände annehmen, auch wenn manchmal extrem hohe oder tiefe Temperaturen dazu nötig sind. Eisen oder Glas kennen wir aus unserem Alltag zum Beispiel nur in fester Form. Aber vielleicht habt ihr schon einmal im Fernsehen gesehen, wie Eisen geschmolzen wird, um daraus Bauteile herzustellen. Es gibt aber für Aggregatzustände auch Beispiele, denen wir in unserem Leben häufig begegnen. An einem solchen Beispiel wollen wir uns anschauen, wie diese Zustände und alle Zustandsänderungen im Teilchenmodell aussehen.

Aggregatzustände von Wasser

Die drei Aggregatzustände von Wasser sehen wir häufig in unserem Alltag. Im Winter, wenn die Temperaturen unter $0~$°C fallen, gefriert Wasser zu Eis – das Wasser nimmt seinen festen Aggregatzustand an. Wenn es lange genug kalt bleibt, kann man sogar auf zugefrorenen Seen Schlittschuh laufen. Steigen die Temperaturen im Frühling wieder über $0~$°C, schmilzt das Eis und wird zu flüssigem Wasser. Man nennt diese Temperatur, bei der Wasser zu Eis wird, deswegen auch den Gefrierpunkt (beim Übergang von flüssig zu fest) oder Schmelzpunkt (beim Übergang von fest zu flüssig) von Wasser. Den dritten Aggregatzustand von Wasser kennen wir zum Beispiel vom Kochen: Wird Wasser in einem Topf auf eine Temperatur von mindestens $100~$°C erhitzt, beginnt es, zu sieden. Ein Teil des Wassers steigt in Form von gasförmigem Wasserdampf auf. Die Temperatur, ab der ein Stoff zu sieden beginnt, nennt man Siedepunkt.

Aggregatzustände im Teilchenmodell

Schauen wir uns nun an, wie die Aggregatzustände im Teilchenmodell aussehen. Dazu stellen wir uns vor, dass unser Material aus lauter kleinen, kugelförmigen Teilchen besteht. Zwischen diesen Kugeln wirken anziehende Kräfte, die sie zusammenhalten. Im festen Zustand sind diese Kräfte sehr stark und die Teilchen sind sehr eng zusammen. Das ist zum Beispiel bei Wasser in der Form von Eis so.

Erhöhen wir die Temperatur, führen also Wärme zu, wird die Wirkung der anziehenden Kräfte geschwächt und es kommt zu einer Aggregatzustandsänderung. Die Teilchen sind zwar immer noch in kleinen Gruppen aneinandergebunden, können sich aber auch trennen und mit anderen Kugeln neue Gruppen bilden. Der Stoff ist jetzt flüssig. Bei Wasser wäre das bei über $0~$°C der Fall.

Erhöhen wir die Temperatur noch weiter, fügen also noch mehr Wärme hinzu, sind die Teilchen gar nicht mehr aneinandergebunden. Sie sind die meiste Zeit weit voneinander entfernt und können sich frei bewegen. Der Stoff liegt jetzt im gasförmigen Zustand vor. Bei Wasser wäre das bei über $100~$°C der Fall.

Man kann die Aggregatzustände und Übergänge natürlich auch in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, also von gasförmig zu flüssig zu fest. Dabei wird dem Stoff Wärme entzogen. Das passiert zum Beispiel im Kühlschrank oder Gefrierfach. Grafisch dargestellt sehen die drei Aggregatzustände im Teilchenmodell so aus:

Aggregatzustände Physik

Zustandsänderungen in der Thermodynamik

In der Thermodynamik, die sich mit solchen Aggregatzuständen und Zustandsänderungen befasst, haben die verschiedenen Übergänge spezielle Namen. Der Übergang von fest zu flüssig ist das Schmelzen, wie wir es vom Eis kennen. Der Übergang von flüssig zu gasförmig ist das Verdampfen. Geht ein Stoff von der gasförmigen in die flüssige Form über, bezeichnen wir diesen Prozess als das Kondensieren und wenn er vom flüssigen in den festen Aggregatzustand übergeht, sprechen wir vom Erstarren.

Neben diesen Zustandsänderungen, die wir schon kennengelernt haben, gibt es auch noch das Sublimieren und das Resublimieren. Als Sublimation bezeichnet man es, wenn ein Stoff vom festen direkt in den gasförmigen Zustand übergeht. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Wäsche trotz negativer Temperaturen im Garten trocknet. Resublimation ist der umgekehrte Prozess, wenn also ein gasförmiger Stoff direkt zum festen Zustand erstarrt. Das kann passieren, wenn man kochendes Wasser bei sehr niedrigen Temperaturen ausschüttet. Dann wird der heiße Wasserdampf zu Schnee.

Die Prozesse sind hier noch einmal in einem Schaubild zusammengefasst:

Zustandsänderungen Definition und Arten

Aggregatzustände – Beispiele

Die Temperaturen, bei denen Stoffe ihre Aggregatzustände ändern, sind teilweise sehr unterschiedlich. In der folgenden Tabelle sind ein paar Beispiele für euch zusammengestellt:

Aggregatzustände – Tabelle

Schmelzpunkt in °C Siedepunkt in °C
Wasser 0 100
Sauerstoff1, 2 −218 −183
Helium1, 2 −272 −269
Eisen1, 2 1.535 3.000
Gold1, 2 1.064 2.970
Kerzenwachs3, 4 (Paraffin) 37 370

Wie viele Aggregatzustände gibt es?

In der klassischen Physik gibt es drei Aggregatzustände – und zwar genau die, die wir hier besprochen haben: fest, flüssig und gasförmig. Bei sehr extremen Bedingungen, wie zum Beispiel hohen Drücken oder sehr hohen Temperaturen, gibt es noch weitere Aggregatzustände. Diese Zustände bezeichnet man auch als nicht klassisch. Ein Beispiel dafür ist Plasma. Diesen Zustand findet man in Sternen wie unserer Sonne oder auch bei Kerzen: Die leuchtende Flamme, die ihr beim Brennen einer Kerze seht, ist ein Plasma.

Aggregatzustand – Zusammenfassung

In diesem Video lernst du die Aggregatzustände kennen. Du kannst dein neu erworbenes Wissen direkt testen: Rechts neben Text und Video findest du Übungen und ein Arbeitsblatt zu den Aggregatzuständen.

Quellenverzeichnis

1 J. A. Dean (ed), Lange’s Handbook of Chemistry (15th Edition), McGraw-Hill, 1999; Section 3; Table 3.2 Physical Constants of Inorganic Compounds.

2 Zhang Y; Evans JRG and Zhang S (2011). „Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks“. J. Chem. Eng. Data. 56 (2): 328–337. doi:10.1021/je1011086.

3 Freund, Mihály; Mózes, Gyula (1982). Paraffin products: properties, technologies, applications. Translated by Jakab, E. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier. p. 121. ISBN 978-0-444-99712-8.

4 „Paraffin Wax“. Chemical book.

Transkript Zustandsänderungen – die drei Aggregatzustände

Hallo, findest du das merkwürdig? Hier wird Wäsche auf die Leine gehängt, obwohl es draußen ziemlich kalt ist. Und die Wäsche trocknet trotzdem. Wie kann das sein?

Mit diesem Phänomen wollen wir uns heute beschäftigen. Das Thema dieses Videos sind die Zustandsänderungen zwischen den drei Aggregatzuständen.

Zunächst einmal wiederholen wir die Aggregatzustände und schauen uns an, wie diese im Teilchenmodell dargestellt werden. Du erfährst, wie diese Zustandsänderungen durch Wärme, aber auch durch Druckänderungen beeinflusst werden können. Beginnen wir mit den Zustandsformen.

Die drei Aggregatzustände

Fast jeder Stoff kann in drei Aggregatzuständen vorliegen. Am besten kennen wir dies natürlich bei Wasser. Wasser ist flüssig. Stellen wir es in den Gefriereschrank, wird es zu Eis und somit fest. Wird das Wasser auf über 100 Grad Celsius erhitzt, dann kocht es und das Wasser geht in den gasförmigen Zustand über.

Andere Stoffe kennen wir nur in einem Aggregatzustand, doch auch dieser kann sich ändern. Denke einmal an Materialien wie Glas oder Eisen. Diese können bei sehr hohen Temperaturen flüssig werden und verformt werden.

Schau dir diese Kerze an. Das Wachs ist zunächst fest. Zündest du die Kerze an, wird das Wachs erwärmt und flüssig. Den Wachsdampf kannst du bei einer brennenden Kerze gar nicht sehen.

Um zu erklären, warum Stoffe verschiedene Zustandsformen haben, nutzen wir das Teilchenmodell.

Darstellung im Teilchenmodell

In diesem Modell besteht jedes Material aus kleinen Teilchen. Diese werden im Modell durch Kugeln dargestellt und von verschiedenen Kräften zusammengehalten. Bei Stoffen im festen Zustand sind die Teilchen eng zusammen. Sie sind schwer trennbar. Einen Eisenblock kannst du nicht durchschneiden.

Es gibt auch Stoffe, die fest sind, aber nicht starr. Denke zum Beispiel an ein Gummiband. Elastische Stoffe werden mit elastischen Verbindungen dargestellt. Die Kräfte halten die Stoffe zusammen, sie können sich jedoch dehnen und zusammenziehen.

Im flüssigen Zustand wirken die Kräfte anders. Sie lassen zu, dass die Teilchen sich in ihrer Form verändern, sogar teilen und wieder zusammenfügen können. Im gasförmigen Zustand sind die Teilchen sehr weit voneinander entfernt und bewegen sich frei.

Fast jeder Stoff kann in diesen drei Zuständen existieren. Um diese Zustandsänderung zu erreichen ist aber die Zufuhr oder Abgabe von Wärme nötig.

Zustandsänderung durch Wärme

Ein fester Stoff bleibt bis zum Erreichen des Schmelzpunktes fest. Wird er über diesen Temperaturpunkt erhitzt, so wird er flüssig.

Erhitzen wir weiter, so geht er beim Erreichen des Siedepunktes in den gasförmigen Zustand über. Bei diesem kompletten Vorgang nimmt der Stoff Wärme auf.

Wenn der Stoff umgekehrt die Wärme abgibt, wird der gasförmige Stoff wieder flüssig. Bei weiterem Absinken der Temperatur wird der Stoff fest.

Alle Zustandsänderungen haben genaue Bezeichnungen. Den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand nennen wir Schmelzen. Wird der flüssige Stoff gasförmig, sprechen wir vom Verdampfen.

Wird der gasförmige Stoff flüssig, so nennen wir das Kondensieren. Die Zustandsänderung in den festen Zustand bezeichnen wir als Erstarren.

Erinnerst du dich an die trocknende Wäsche im Winter? Zunächst erstarrt das Wasser in der Wäsche. Doch dann scheint es so, als würde es verschwinden.

Es verschwindet aber nicht wirklich, sondern wird gasförmig und steigt auf. Das Wasser ist hier vom festen direkt in den gasförmigen Zustand übergegangen. Diese Zustandsänderung heißt Sublimieren.

Und das ganze funktioniert auch umgekehrt. Wenn man kochendes Wasser im Winter bei sehr niedrigen Temperaturen aus dem Fenster schüttet, dann kann der Wasserdampf direkt zu festem Schnee werden. Diese Zustandsveränderung nennen wir dann Resublimieren.

Einfluss des Drucks auf den Aggregatzustand

Lass uns zum Schluss betrachten, wie Siedepunkt und Schmelzpunkt vom Druck abhängig sind. Der Einfluss des Druckes auf den Zustand wollen wir uns in einem kleinen Experiment anschauen. Dazu nehmen wir uns eine versiegelte Spritze mit beweglichem Kolben.

Diese Spritze ist mit warmem Wasser gefüllt, das eine Temperatur von 80 Grad Celsius hat. Wie du siehst ist das Wasser flüssig und es sind kaum Gasbläschen zu sehen.

Wenn wir nun am Kolben ziehen, entsteht ein Unterdruck und das Wasser fängt schlagartig an zu sieden. Das Wasser ist dabei aber nicht heißer geworden. Nur durch den geringeren Druck fängt das Wasser bei einer niedrigeren Temperatur an zu sieden.

Auf jeden Körper wirkt von außen ein Druck - der Luftdruck. Dieser entsteht durch die Luftsäule, die wir alle über unseren Köpfen haben. Klettert man allerdings ins Hochgebirge, so lastet weniger Luft auf uns und der Luftdruck wird er schwächer. Wenn du hier oben Wasser kochen möchtest, dann beginnt es bereits bei 70 Grad Celsius zu sprudeln.

Zusammenfassung

Sehr gut. Damit kennst du jetzt die drei Aggregatzustände Fest, Flüssig und Gasförmig und weißt, wie sie im Teilchenmodell dargestellt werden.

Die Änderung zwischen diesen Zuständen kannst du auch benennen und du hast gelernt, dass der äußere Luftdruck die Temperaturen der Übergangspunkte beeinflussen kann.

Mit diesem tollen Wissen kannst du nun deine Eltern überraschen! Du kannst ja mal deine Eltern fragen, ob du deine Wäsche im Winter draußen aufhängen kannst. Das wird sie sicherlich vom Hocker reißen!

29 Kommentare

29 Kommentare
  1. Ich fand das Video sehr cool gestaltet und gut erklärt. Bitte mehr davon

    Von Oly, vor 3 Tagen
  2. Cool gestaltet und gut erklärt

    Von Manga Ninja, vor 17 Tagen
  3. Good
    Hoho

    Von Melis, vor 28 Tagen
  4. Das Video hat mir gut gefallen ich habe auch nur wenige Fehler gemacht nur ich fand das das Video ein bisschen kurz gewesen ist

    Von Mia , vor etwa einem Monat
  5. Das Viedeo war sehr spannend

    Von Are und Torben, vor 3 Monaten
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Zustandsänderungen – die drei Aggregatzustände Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zustandsänderungen – die drei Aggregatzustände kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die Aggregatzustände anhand der Molekülstruktur.

    Tipps

    Überlege dir, wie viel Bewegungsfreiheit die Teilchen haben.

    Lösung

    Du siehst vier Bilder mit Molekülen eines Stoffes. Sind diese sehr dicht aneinander angeordnet, ist der Stoff fest und nicht verformbar.

    Haben die Teilchen etwas größere Zwischenräume und können möglicherweise untereinander verschoben werden, spricht man zwar immer noch von einem festen Stoff, dieser ist aber zudem elastisch. Ein Gummiband besteht beispielsweise aus so einem Stoff.

    Flüssige Stoffe erkennst du daran, dass die Teilchen ungeordnet sind und sich frei zueinander bewegen können.

    Das ist bei Molekülen, die sich im Gaszustand befinden, genauso, jedoch besitzen sie so viel Energie, dass sie sich frei im Raum bewegen können. Du erkennst das in dem Bild daran, dass die Moleküle einen großen Abstand zueinander besitzen.

    Zusätzlich zu den drei klassischen Aggregatzuständen gibt es auch noch sogenannte nicht klassische Zustände. Zu diesen gehört beispielsweise der überkritische Zustand, bei dem der flüssige und der gasförmige Zustand nicht mehr unterscheidbar sind.

  • Benenne die Zustandsänderungen.

    Tipps

    Fange mit den Zustandsänderungen an, die du aus dem Alltag kennst.

    Lösung

    Alle aufgeführten Zustandsänderungen beschreiben Umwandlungen der Stoffe zwischen den Zuständen fest, flüssig und gasförmig.

    Diese Aufgabe beginnst du am besten mit den Zustandsänderungen, die du aus dem Alltag bereits kennst.

    Das ist zum Beispiel das Schmelzen von Eis oder das Verdampfen von Wasser im Wasserkocher oder Kochtopf.

    Auf diesem Weg kannst du nach und nach alle Begriffe zuordnen.

    Die schwierigsten Begriffe - sublimieren und resublimieren - beschreiben die Änderungen direkt vom festen zum gasförmigen Zustand und umgekehrt.

  • Stelle die Temperaturänderung von Wasser bei konstanter Wärmezufuhr in einem Diagramm dar.

    Tipps

    Auf der x-Achse ist die Zeit und auf der y-Achse die Durchschnittstemperatur des Eises/Wassers/Wasserdampfes aufgetragen.

    Lösung

    Du siehst vier Diagramme. Das vierte kann nicht das Gesuchte sein, da es bei einer großen Temperatur beginnt und die Temperatur mit ablaufender Zeit sinkt. Auch bei Diagramm zwei sinkt die Temperatur nach Erreichen von 100°C. Es kommt somit ebenfalls nicht in Frage.

    Bei einer konstanten Erwärmung könnte man davon ausgehen, dass die Durchschnittstemperatur der Wassermoleküle auch konstant ansteigt. Das ist jedoch falsch. Die Energie, die zum Beispiel zum Schmelzen des Eises benötigt wird, hindert das Eis an einer Erwärmung von über 0°C. Das heißt, solange das Eis nicht komplett geschmolzen ist, wird noch so viel Energie für die Zustandsänderung benötigt, dass diese Energie nicht zum weiteren Erwärmen zur Verfügung steht.

    Dieser Effekt tritt bei jedem Zustandswechsel auf. Daher kann Wasser keine Temperatur über 100°C annehmen, es sei denn, es ist bereits verdampft.

    Im Diagramm erhalten wir für die Dauer der Zustandsänderung somit waagerechte Teilstücke.

  • Erkläre den folgenden Sachverhalt.

    Tipps

    Stelle dir das Wasser auf Teilchenebene vor.

    Lösung

    Das hier benannte Phänomen gibt es tatsächlich. Jedoch liegt das nicht an der Umgebungstemperatur.

    Der umgebende Luftdruck hat eine Auswirkung auf die Wassermoleküle. Er drückt sie sozusagen zusammen. Willst du auf einem Berg, wo der Luftdruck aufgrund der gestiegenen Höhe niedriger ist, Wasser kochen, macht sich das bereits deutlich bemerkbar. Der Siedepunkt nimmt pro 300 m um etwa 1°C ab. Anton könnte sich also in einer Höhe von 3000 m befinden.

    Auch Salz hat einen Einfluss auf den Siedepunkt. Fügst du zum Beispiel einem 1/2 Liter Wasser 30 g Salz zu, erhöht sich der Siedepunkt um etwa 1,1°C.

  • Sortiere die verschiedenen Zustände von Wasser mit steigender Wärmezugabe.

    Tipps

    Überlege dir, was passiert, wenn Wasser in Form von Eis erwärmt wird.

    Lösung

    Wasser kennen wir sehr gut aus dem Alltag, wir haben daher auch schon die Erfahrungen gemacht, wie sich Wasser mit steigender Temperatur verhält.

    Wenn du dir dabei noch unsicher bist, leg ein paar Eiswürfel in einen Kochtopf und schau zu, was passiert, wenn du Wärme zuführst.

    Genau genommen gibt es auch die Möglichkeit, Wasser unter null Grad abzukühlen, ohne dass es gefriert. Genauso existiert auch Wasserdampf in einem Temperaturbereich, in dem er längst kondensieren würde, wenn er könnte.

    Übrigens ist Wasser immer in der Luft enthalten, aber dabei nicht sichtbar. Man spricht von der Luftfeuchtigkeit. Wolken am Himmel bestehen nicht aus Wasserdampf, sondern aus kondensiertem Wasser, also sehr kleinen Wassertröpfchen.

  • Erkläre das folgende Experiment.

    Tipps

    Erinnere dich daran, was mit den Stoffmolekülen passiert, wenn der Stoff in den Aggregatzustand gasförmig übergeht. Was könnte passieren, wenn du weiter Wärme hinzufügst?

    Führe den Versuch selbst durch.

    Falls der Effekt nicht so gut zu beobachten ist, kann es helfen, vier Streichhölzer so in die Schale zu legen, dass das Glas nicht am Boden aufliegt.

    Lösung

    Die Beschreibung eines Experiments gliedert sich in Versuchsaufbau/Durchführung, Beobachtung, Erklärung.

    Eine mögliche Erklärung für das Experiment ist, dass sich die Luft im Glas beim Abkühlen zusammenzieht und somit ein Unterdruck entsteht. Die Luft außerhalb des Glases, die einen größeren Druck besitzt, drückt das Wasser so weit ins Glas, dass der Druck innerhalb und außerhalb des Glases gleich groß ist.

    Oft spricht man auch davon, dass der Unterdruck etwas ansaugt. Diese Erklärung ist physikalisch gesehen nicht korrekt, da es immer der höhere Luftdruck ist, der Druck auf etwas ausübt und nicht umgekehrt.

    Eigentlich müsste man bei der Erklärung auch noch zwei weitere Effekte erwähnen.

    Beim Verbrennen der Kerze reagiert der Luftsauerstoff mit dem Wachs zu Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Kohlenstoffdioxid ist gut in Wasser löslich und auch der Wasserdampf kann kondensieren. Die Menge des Wasser nimmt durch beide Effekte somit zu. Dies erklärt eine Reduktion des Luftanteils im Glas um etwa 21%. Das ist genau der Anteil vom Sauerstoff in der Luft.

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