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Phasendiagramme – Phasen der Materie und Phasenübergänge

Ein Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung von Druck und Temperatur eines Materials. Phasendiagramme zeigen den Zustand der  Materie  bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur. Sie zeigen die Grenzen zwischen Phasen und den Prozessen, die auftreten, wenn der Druck und / oder die Temperatur geändert werden, um diese Grenzen zu überschreiten. Dieser Artikel beschreibt, was aus einem Phasendiagramm gelernt werden kann und wie man eines liest.

 

Phasendiagramme – Phasen der Materie und Phasenübergänge

Dies ist ein Beispiel für ein zweidimensionales Phasendiagramm.
Dies ist ein Beispiel eines zweidimensionalen Phasendiagramms, das Phasengrenzen und farbcodierte Phasenbereiche zeigt. Todd Helmenstine

Eine der Eigenschaften der Materie ist ihr Zustand. Materiezustände umfassen feste. flüssige oder gasförmige Phasen. Bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen befindet sich die Substanz in der festen Phase. Bei niedrigem Druck und hoher Temperatur befindet sich die Substanz in der Gasphase. Die flüssige Phase erscheint zwischen den beiden Regionen. In diesem Diagramm befindet sich Punkt A im durchgezogenen Bereich. Punkt B befindet sich in der flüssigen Phase und Punkt C befindet sich in der Gasphase.

Die Linien in einem Phasendiagramm entsprechen den Trennlinien zwischen zwei Phasen. Diese Linien werden als Phasengrenzen bezeichnet. An einem Punkt an einer Phasengrenze kann sich die Substanz entweder in der einen oder in den anderen Phasen befinden, die auf beiden Seiten der Grenze auftreten. Diese Phasen existieren im Gleichgewicht miteinander.

In einem Phasendiagramm gibt es zwei interessante Punkte. Punkt D ist der Punkt, an dem sich alle drei Phasen treffen. Wenn das Material diesen Druck und diese Temperatur hat, kann es in allen drei Phasen vorliegen. Dieser Punkt wird als Tripelpunkt bezeichnet.

Der andere interessante Punkt ist, wenn der Druck und die Temperatur hoch genug sind, um den Unterschied zwischen der Gas- und der Flüssigphase nicht erkennen zu können. Substanzen in dieser Region können Eigenschaften und Verhalten von Gas und Flüssigkeit annehmen. Diese Region ist als überkritische Fluidregion bekannt. Der minimale Druck und die minimale Temperatur, bei denen dies auftritt, Punkt E in diesem Diagramm, wird als kritischer Punkt bezeichnet.

Einige Phasendiagramme heben zwei andere Punkte von Interesse hervor. Diese Punkte treten auf, wenn der Druck gleich 1 Atmosphäre ist und eine Phasengrenzlinie überschreitet. Die Temperatur, bei der der Punkt die Fest / Flüssig-Grenze überschreitet, wird als normaler Gefrierpunkt bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Punkt die Flüssigkeits- / Gasgrenze überschreitet, wird als normaler Siedepunkt bezeichnet. Phasendiagramme sind nützlich, um zu zeigen, was passiert, wenn sich der Druck oder die Temperatur von einem Punkt zum anderen bewegt. Wenn der Pfad eine Grenzlinie überschreitet, tritt eine Phasenänderung auf.

 

Namen für Phasenänderungen

Jeder Grenzübergang hat einen eigenen Namen, abhängig von der Richtung, in der die Grenze überschritten wird.

Beim Übergang von der festen Phase in die flüssige Phase über die Fest / Flüssig-Grenze schmilzt das Material.

Bei Bewegung in die entgegengesetzte Richtung, flüssige Phase zu fester Phase, gefriert das Material.

Beim Übergang zwischen Fest- und Gasphase wird das Material sublimiert. In der entgegengesetzten Richtung, Gas zu festen Phasen, wird das Material abgeschieden.

Der Wechsel von der Flüssigphase zur Gasphase wird als Verdampfung bezeichnet. Die entgegengesetzte Richtung, Gasphase zu Flüssigphase, wird als Kondensation bezeichnet.

Zusammenfassend:
fest → flüssig:  schmelzende
Flüssigkeit → fest:  gefrierender
Feststoff → Gas: Sublimationsgas
→ fest: Abscheidungsflüssigkeit
→ Gas: Verdampfungsgas
→ Flüssigkeit: Kondensation

Es gibt andere Phasen der Materie, wie z. B. Plasma. Diese sind jedoch in der Regel nicht in Phasendiagrammen enthalten, da zur Bildung dieser Phasen besondere Bedingungen erforderlich sind.

Einige Phasendiagramme enthalten zusätzliche Informationen. Beispielsweise kann ein Phasendiagramm für eine Substanz, die einen Kristall bildet, Linien enthalten, die die verschiedenen möglichen Kristallformen angeben. Ein Phasendiagramm für Wasser könnte die Temperaturen und Drücke enthalten, bei denen Eis orthorhombische und hexagonale Kristalle bildet. Ein Phasendiagramm für eine organische Verbindung könnte Mesophasen enthalten, die Zwischenphasen zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit sind. Mesophasen sind für die Flüssigkristalltechnologie von besonderem Interesse.

Während Phasendiagramme auf den ersten Blick einfach aussehen, enthalten sie eine Fülle von Informationen zum Material für diejenigen, die lernen, sie zu lesen.

 

Quellen

  • Dorin, Henry; Demmin, Peter E.; Gabel, Dorothy L. Chemie: Das Studium der Materie  (4. Aufl.). Prentice Hall. S. 266–273. ISBN 978-0-13-127333-7.
  • Papon, P.; Leblond, J.; Meijer, PHE (2002). Die Physik des Phasenübergangs: Konzepte und Anwendungen . Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-43236-4.
  • Predel, Bruno; Hoch, Michael JR; Pool, Monte (2004). Phasendiagramme und heterogene Gleichgewichte: Eine praktische Einführung . Springer. ISBN 978-3-540-14011-5.
  • Zemansky, Mark W.; Dittman, Richard H. (1981). Wärme und Thermodynamik (6. Aufl.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-072808-0.

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