Die AggregatzuständeGasförmig, flüssig, fest

Inhalt

• Die drei Aggregatzustände: – Gasförmig– Flüssig– Fest

• Phasenübergänge– Die Anregungsenergie zum Umbau der Atome

liefert die Temperaturbewegung

Wechselwirkungskräfte zwischen den Bausteinen der Materie

Kräfte Beschreibung Beispiel

Van der Waals Bindung

Isotrope, kurzreichweitige schwache Bindungskraft zwischen allen Atomen

Reale Gase, Bindung in Kristallen der Edelgase

Coulomb Kraft

Isotrope, langreichweitige Wechselwirkung

zwischen Ladungen, im Atom zwischen Kern und

Elektronen, im Kristall zwischen Ionen, (z. B.

NaCl Kristall)

Kern und ElektronenNaCl-Kristall

Kovalente Bindung

Gerichtete Bindung durch gemeinsame Elektronen

Si-Kristall, organische Moleküle

Metall Bindung

Isotrope Bindung der Metallatome mit freien

Elektronen im „Elektronengas“

Alle metallischen Leiter

Gase

• Gase dehnen sich beliebig weit aus

Die Kräfte beim Impulsübertrag der Stöße durch die Temperaturbewegung sind größer als die Kräfte der van der Waalschen Anziehung zwischen den Teilchen

Flüssigkeiten

• Sehr kleine Kräfte genügen zur Änderung der Form einer Flüssigkeit

Arbeit bei Vergrößerung der Oberfläche

• Aber: Die Vergrößerung der Oberfläche erfordert Energie: die Kraft ist die „Oberflächenspannung“

Festkörper

• Jede Änderung der atomaren Anordnung erfordert hohe Kräfte

• Bei Rückgang der verformenden Kraft kehren die Atome in ihre Ausgangslage zurück: Elastisches Verhalten – Gilt in Grenzen

Festkörper und Flüssigkeiten

• Die atomaren Baugruppen liegen in beiden Aggregatzuständen auf Kontakt – deshalb sind beide praktisch inkompressibel

• Aber: Flüssigkeiten sind gegen Scherung bzw. Torsion instabil

Fest Flüssig

Arbeit bei Vergrößerung einer Flüssigkeits- oberfläche

• Aber: Die Vergrößerung der Oberfläche erfordert Energie: die Kraft ist die „Oberflächenspannung“

Aggregatzustände und Eigenschaften

Gas Flüssigkeit Festkörper

Dichte* ~0,001 g/cm3 ~ 1g/cm3

Ist zur Verdichtung Kraft erforderlich?

Wenig** Viel

Viel bei jeder Art der Verformung

(„Elastische Verformung“)

Ist zur Ausdehnung Kraft erforderlich?

KeineWenig zur

Oberflächen-vergrößerung

Ist zur Scherung Kraft erforderlich?

Wenig(„Viskoses Fließen“)

*Normaldruck und 20°C** Verdichtung auf 99% des Volumens beginnend bei

Phasenübergänge• Als „Phasenübergänge“ bezeichnet man

– den Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Aggregatzuständen

– Umbau der Struktur eines Festkörpers oder von Molekülgruppen

• Die Anregungsenergie zum Umbau der Atome liefert die Temperaturbewegung

Pb5 Al3 F19 600 K

Pb5 Al3 F19 300 K

Pb5 Al3 F19 100 K

Pb5 Al3 F19 600 K

Zusammenfassung

• Es gibt Materie in drei Aggregatzuständen: – Gasförmig

• Dichte bei Normalbedingungen ca. 1/1000 der von Flüssigkeiten oder Festkörper

• „Grenzenlose“ Ausdehnung ohne Zufuhr von Energie• Bei Normalbedingung genügt wenig Kraft genügt zur (mäßigen)

Volumenverkleinerung – Flüssig

• Dichte etwa wie im Festkörper• Kraft zur Volumenverkleinerung („Kompression“) ist hoch, etwa wie im

Festkörper • Vergrößerung der Oberfläche mit Zufuhr von Arbeit

(„Oberflächenspannung“)– Fest:

• jede Formveränderung erfordert hohe Kräfte: • Stabil gegen Scherung, Kompression, Dehnung

• Phasenübergänge – Umbau der atomaren Anordnung– Die Energie dazu liefert die Temperaturbewegung

• Weitere Aggregat Zustände unter extremen Bedingungen – Plasma (Nach Energiezufuhr in Form von Temperatur, Strahlung oder

elektromagnetischen Feldern ionisiertes Gas) – Bose-Einstein Kondensate (Temperatur unter 100 μK)

finis

Fest Flüssig

Gas