Änderung von Aggregatzuständen – Schmelzen & Verdampfen

Schmelzen und Verdampfen – Einfluss der Wärmezufuhr auf Körper

Wiederholung: Im Kapitel “Chemie”-Aggregatzuständen sind die -aus dem Alltag bekannten- Aggregatzustände ausführlich erklärt. Daher hier nur in Kurzform: In der Regel können alle Stoffe, die wir aus dem Alltag kennen, in den drei Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) vorkommen. Der Übergang zwischen den einzelnen Aggregatzuständen kann durch Temperatur- und/oder Druckänderung bewirkt werden. So gilt allgemein: Bei höheren Drücken verschiebt sich der Siedepunkt einer Flüssigkeit zu höheren Temperaturen.

Erwärmt man einen (festen) Stoff, so führt man diesem Wärmeenergie zu, dabei kann der feste Stoff zwei Phasenübergänge durchlaufen, der Übergang fest => flüssig (“schmelzen”) und der Übergang flüssig => gasförmig (“Verdampfen”).

Wird einem festen Körper Wärme zugeführt, dann geht er am Schmelzpunkt in den flüssigen Aggregatzustand über. Die zum Schmelzen des Festkörpers erforderliche Wärme wird als Schmelzwärme bezeichnet. Während des Schmelzens bleibt die Temperatur des Körpers, der (weiterhin) erwärmt wird, gleich groß. Allgemein gilt (in der Regel) für Phasenübergänge: Beim Wechsel des Aggregatzustandes (nur während des Phasenübergangs) bleibt die Temperatur eines Körpers konstant, auch wenn dieser erwärmt wird.

Erklären lässt sich dieses Phänomen mit dem einfachen Teilchenmodell (Niveau: SEK I). Im festen Zustand nehmen die Teilchen eines Stoffes im Körper feste Plätze (z.B. Metallgitter bei Metallen oder Ionengitter bei Salzen). Zwischen den einzelnen Teilchen in einem festen Körper wirken starke Anziehungskräfte. Daher liegen die Teilchen dicht aneinander und bewegen sich kaum. Wird nun der feste Stoff erhitzt, so beginnen die Teilchen stärker zu bewegen (besser: zu Schwingen). Wird genügend Wärme zugeführt, können sich die Teilchen aus dem Gitter lösen. Die Teilchen nehmen nun keinen festen Platz mehr ein und sie daher gegeneinander beweglich. Auf diese (einfache) Weise lässt sich erklären, wie ein Stoff schmilzt und flüssig wird.

Auf die gleiche Weise läuft das Verdampfen von Flüssigkeiten ab. Die zugeführte Wärme(energie) sorgt dafür, dass eine Flüssigkeit am Siedepunkt zu “Sieden” beginnt. Bei diesem Phasenübergang (flüssig => gasförmig) wird Energie benötigt, um Teilchen aus der Flüssigkeit “ausbrechen” zu lassen. Auch während dieses Phasenübergangs bleibt die Temperatur des Körpers konstant. Die Wärmeenergie, die zum Verdampfen notwendig ist, wird auch als Verdampfungswärme bezeichnet. Für beide Begriffe werden auch oft (gleichbedeutend) der Begriff “latente Wärme” verwendet.

Weiterführende Informationen:

• Ein zum Verdampfen gleichwertiger Prozess ist das Verdunsten von Flüssigkeiten. Verdunsten ist der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand, im Unterschied zum Verdampfen liegt hier die Temperatur (bei der flüssige Teilchen verdunsten) unterhalb der Siedetemperatur. Dies lässt sich mit der Maxwell-Boltzmann-Verteilung erklären.

• Nicht jeder Stoff geht vom festen in  den flüssigen Zustand über. So gibt es Stoffe wie z.B. Iod, die beim Erwärmen vom festen Zustand direkt in den gasförmigen Zustand übergehen. Diesen Phasenübergang bezeichnet man als Sublimation.

• Es wird immer wieder von Siedepunkt bzw. Siedetemperatur gesprochen (=> Schmelzpunkt bzw. Schmelztemperatur). Diese beiden physikalischen Größen sollte man nicht miteinander verwechseln. Der Siedepunkt eines Reinstoffes ist definiert durch zwei Größen: Siedetemperatur und Siededruck (siehe hierzu die entsprechenden Kapitel in Chemie)