Phase (Materie)

p-T-Phasendiagramm eines „normalen“ Stoffes und darunter des Wassers mit seiner typischen Dichteanomalie.

p-v-T-Diagramm des Wassers: Wegen der Anomalie des Wassers hat das feste Eis bei gleichem Druck ein größeres Volumen als die gleiche Menge geschmolzenen Wassers, weshalb das Eis auf dem Wasser schwimmt.

Als Phase wird in der Thermodynamik bzw. in der Physik, Chemie und Technik ein räumlicher Bereich bezeichnet, in dem bestimmte physikalische Größen wie etwa die Dichte und der Brechungsindex und die chemische Zusammensetzung des Stoffes gleichförmig ist und daher ein homogenes System bildet. Die Grenzfläche zwischen zwei Phasen wird als Phasengrenze bezeichnet.

Ein typisches Beispiel sind die verschiedenen Aggregatzustände eines Stoffes, die auch als feste Phase, flüssige Phase und Gasphase bezeichnet werden. Zwischen den verschiedenen Phasen kann es zu einem Phasenübergang bzw. einer Phasenumwandlung kommen, wobei der jeweilige Umwandlungspunkt von der Temperatur ($LaTeX: T$) und dem Druck ($LaTeX: p$) abhängig ist.

Übersichtlich lassen sich diese Zusammenhänge in einem Phasendiagramm darstellen. Die gebräuchlichste Darstellungsform ist das p-T-Diagramm bei dem auf der Ordinate (der vertikalen y-Achse) der Druck und auf der Abszisse (der horizontalen x-Achse) die Temperatur aufgetragen wird. Weitere Formen sind das p-v-Diagramm, in dem der Druck und das spezifische Volumen $LaTeX: v$ aufgetragen wird, und das dreidimensionale p-v-T-Diagramm.

Für die Übergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen sind folgende Bezeichnungen gebräuchlich:

• Das Schmelzen ist der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand. Um einen Stoff zu schmelzen, muss ihm eine stoffspezifische Schmelzwärme zugeführt werden. Die Übergangstemperatur, d.h. der Schmelzpunkt, ist nur wenig abhängig vom Druck. Der umgekehrte Phasenübergang von flüssig zu fest wird als Erstarren, Gefrieren, Kristallisieren oder Kristallisation bezeichnet. Dabei wird Kristallisationswärme freigesetzt, die dem Betrag nach der Schmelzwärme entspricht.
• Das Verdampfen oder Sieden ist der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, der am jeweiligen Siedepunkt unter Zufuhr einer entsprechenden Verdampfungswärme bzw. Siedewärme erfolgt. Im Gegensatz zum Schmelzpunkt ist dieser nicht nur von der Temperatur, sondern auch sehr stark vom Druck abhängig. Die für das Sieden charakteristischen Gasblasen können sich nämlich erst bilden, wenn der Dampfdruck des gebildeten Gases den Außendruck erreicht. So siedet etwa Wasser in der dünnen Luft hoher Berge schon weit unter 100 °C, im Druckkochtopf hingegen erst bei deutlich höherer Temperatur . Der umgekehrte Übergang von der gasförmigen zur flüssigen Phase heißt Kondensieren bzw. Kondensation. Dabei wird eine der Siedewärme entsprechende Kondensationswärme abgegeben.
• Der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand erfolgt auch schon unterhalb der Siedetemperatur, wobei allerdings aus dem genannten Grund keine Gasblasen gebildet werden. Man spricht in diesem Fall von Verdunstung. Sie findet solange statt, bis der Raum über der Flüssigkeit mit Dampf gesättigt ist. Wann die vollständige Sättigung erreicht ist, hängt stark von der Temperatur ab. So kann etwa warme Luft wesentlich mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte Luft.
• Als Sublimation wird der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand bezeichnet, der am ebenfalls stark vom Druck abhängigen Sublimationspunkt unter Zufuhr der nötigen Sublimationswärme erfolgt. Der flüssige Zustand wird dabei übersprungen. Den direkten Übergang vom gasförmigen in den festen Zustand nennt man Resublimation. Dabei wird eine entsprechende Resublimationswärme freigesetzt.

Am Umwandlungspunkt, an dem zwei Phasen ineinander übergehen, stellt sich ein thermodynamisches Gleichgewicht ein. Die Temperatur bleibt dabei solange konstant, bis die eine Phase vollständig in die andere übergegangen ist. Wenn z.B. Eis schmilzt, bleibt die Temperatur solange bei 0 °C, bis es vollständig zum flüssigen Wasser umgewandelt ist. Die gesamte aus der Umgebung zugeführte Wärme wird hier für die Phasenumwandlung verbraucht; erst wenn diese vollständig abgeschlossen ist, wird das nunmehr flüssige Wasser verwärmt. Manche Stoffe wie beispielsweise Wasser verfügen auch über einen durch Druck und Temperatur genau bestimmten Tripelpunkt, an dem alle drei Phasen, d.h. die feste, flüssige und gasförmige Phase, miteinander im Gleichgewicht stehen.

Innerhalb des festen und flüssigen Aggregatszustands können auch mehrere unterschiedliche Phasen vorliegen. So sind mittlerweile mindestens 18 verschiedene Phasen des festen kristallisierten Eises bekannt. Öl und Wasser sind nicht miteinander mischbar und bilden daher zwei deutlich voneinander geschiedene flüssige Phasen, wobei das leichtere Öl auf dem dichteren Wasser schwimmt.

Literatur

• Christian Gerthsen, Dieter Meschede: Gerthsen Physik. 23. Auflage. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-25421-8
•  Peter Atkins, J. de Paula: Physikalische Chemie. 5 Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2013, ISBN 3-527-33247-2.
•  Gerd Wedler, Hans-Joachim Freund: Lehrbuch der physikalischen Chemie. 6 Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2012, ISBN 978-3-527-32909-0.
• T. Engel, P. Reid: Physikalische Chemie. Pearson Studium, 2006, ISBN 978-3-8273-7200-0
• Rudolf Steiner: Geisteswissenschaftliche Impulse zur Entwickelung der Physik, II, GA 321 (2000), ISBN 3-7274-3210-1 pdf pdf(2) html mobi epub archive.org English: rsarchive.org

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