Zustandsformen

Fest, flüssig und gasförmig

Jeder Gegenstand (z. B. ein Tisch oder ein Buch) und jedes Lebewesen (z. B. ein Mensch oder ein Tier) ist aus Atomen aufgebaut. Doch Atome sind unvorstellbar klein. Deshalb besteht jeder Körper aus extrem vielen Atomen. Zwischen den Atomen und Molekülen ist nichts. Also keine Luft kein Kleber, ... aber es wirken (elektromagnetische) Kräfte. Die Auswirkung dieser Kräfte spürst du jeden Tag! Obwohl wir Teilchen haben, zwischen denen viel Nichts ist, können sie stabile Materie aufbauen, da die Reichweite der elektromagnetischen Kraft größer als der Abstand zwischen den Teilchen ist. Diese starken Kräfte halten auch die Wassermoleküle in diesen Eiswürfeln zusammen. Aber was passiert wenn das Eis schmilzt?

Stell dir vor alle Kinder deiner Klasse halten sich gegenseitig irgendwo mit den Händen fest (das steht für die elektromagnetischen Kräfte zwischen den Wassermolekülen). Dann stell dir vor alle beginnen langsam zu wippen, dann zu tanzen und zu springen, immer schneller, immer höher. Schon sehr bald werden sich die Kinder nicht mehr festhalten können und einige Hände lassen los, Grüppchen entstehen. Mit der Zeit müssen immer mehr Hände loslassen, bis schließlich alle Kinder einzeln tanzen, laufen, hüpfen. So ähnlich geht es den Wasserteilchen im Eis. Je höher die Temperatur wird, desto stärker bewegen sie sich. Das Eis wird flüssig und dann gasförmig.

Zustandsformen bzw. Aggregatzustände

Zusammengefasst bedeutet das für die klassischen Aggregatzustände nach dem Teilchenmodell:

Festkörper: Die Teilchen (Atome oder Moleküle) sitzen an festen, sehr nahen Positionen, können aber am Platz zittern, schwingen, rotieren. Starke Kräfte binden die Teilchen aneinander – sie sind wie an ihren Plätzen „festgebunden“ – sie sind zwar nicht ruhig, aber sie können ihren Platz nicht verlassen. Deshalb haben Festkörper auch eine gleichbleibende Gestalt: ein definiertes Volumen und eine definierte Form.

Flüssigkeit: Atome oder Moleküle sind im Raum beweglich, aber einander noch recht nahe. In einer Flüssigkeit können sich die Teilchen zwar von ihren Plätzen wegbewegen, sie müssen aber zusammen bleiben. Weil in der Flüssigkeit die Kräfte zwischen den Teilchen schwach sind, können Flüssigkeiten daher jede Form des Gefäßes annehmen. Flüssigkeiten haben ein definiertes Volumen, aber keine definierte Form (ein halber Liter Milch füllt eine 1 Liter Flasche nur zur Hälfte aus).

Gase: Atome oder Moleküle sausen völlig losgelöst voneinander umher, die Kräfte zwischen den Teilchen sind zu schwach um sie festzuhalten. Gase haben kein definiertes Volumen und keine definierte Form – sie können sich an jedes Volumen anpassen.

Du kannst Druck und Temperatur verändern. Beobachte, was dabei passiert!

Jetzt etwas Küchenphysik

Druck und Temperatur beeinflussen beide, ob etwas fest flüssig oder gasförmig ist. Das machen wir uns beim Kochen mit einem Druckkochtopf zunutze: Durch den höheren Druck (1,8 bar) siedet Wasser erst bei ungefähr 120 °C. Alles wird heißer und daher schneller durchgegart.

Dagegen ist es nicht empfehlenswert, auf dem Mount Everest Kartoffeln zu kochen. Denn aufgrund der Höhe ist der Luftdruck hier geringer, das Wasser siedet schon bei ungefähr 70 °C – das reicht nicht mehr, um Kartoffel gar zu kochen.

Im Kochtopf in der Küche lässt sich ein weiterer Effekt beobachten: Auch wenn wir die Herdplatte für lange Zeit auf die höchste Stufe stellen, wird das siedende Wasser nicht heißer. Die Zustandsänderungen haben nämlich eine ganz spezielle Auswirkung auf die Temperatur – solange nicht das ganze Wasser zu Dampf geworden ist, ändert sich die Temperatur nicht. Das bedeutet, siedendes Wasser hat bei gleich bleibendem Druck Siedetemperatur. Solange noch flüssiges Wasser vorhanden ist, wird es nicht heißer, denn die ganze Wärme/Energie, die wir dazu geben, wird für die Zustandsänderung verbraucht.

Bei allen Übergängen zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen gilt: Während des Übergangs bleibt die Temperatur gleich.

Die allermeisten Stoffe auf der Erde sind fest, flüssig oder gasförmig. Es gibt aber noch viele weitere Aggregatzustände, wie zum Beispiel das Plasma, das oft als „vierter Aggregatzustand“ bezeichnet wird. In diesem Zustand werden die Gasatome weiter in ihre geladenen Bestandteile zerlegt.