AGGREGATZUSTAND

Aggregatzustand,

 

der durch Druck und Temperatur sowie durch seinen Schmelz- und Siedepunkt bestimmte Zustand eines Stoffes als fester Körper, als Flüssigkeit, als Dampf oder Gas oder als Plasma. Die Atome und Moleküle (und ihre Ionen) als Bausteine der stofflichen Materie sind im Wesentlichen einer gegenseitigen Anziehung (chemische Bindung, Molekularkräfte) und der Wärmebewegung unterworfen, die sich im entgegengesetzten Sinn auf ihren Zusammenhalt in den Stoffen auswirken: Bei verstärkter Wärmebewegung infolge Temperaturerhöhung wird ein Stoff durch Schmelzen, Sieden oder Verdampfen (Verdampfung) vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen (die Umkehrung dieser Phasenübergänge 1.Art sind die Kondensation und das Erstarren). Dabei kann der flüssige Aggregatzustand übersprungen werden (Sublimation). Andererseits kann oberhalb des kritischen Punktes (kritischer Zustand) nicht zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Aggregatzustand unterschieden werden. Bei weiterer Temperaturerhöhung werden zuerst die Moleküle dissoziiert (Dissoziation) und dann schließlich die Atome ionisiert (Ionisation), wodurch die Materie in den Plasmazustand (Plasma) übergeht.

 

Im festen Aggregatzustand überwiegen die anziehenden Kräfte und haben die Formbeständigkeit zur Folge. Nach Aufhören der Einwirkung einer verformenden Kraft auf den amorph oder kristallin (Kristall) vorliegenden Festkörper bewirkt die Formelastizität, dass er wieder in seine ursprüngliche Lage zurückkehrt. Beim Überschreiten der Elastizitätsgrenze (z. B. beim Schmieden und Walzen) erleidet der Körper dauernde plastische Verformungen. Im flüssigen Aggregatzustand sind durch die stärkere Wärmebewegung die Moleküle zwar leicht gegeneinander verschiebbar, andererseits hängen sie doch noch so stark zusammen, dass die Flüssigkeit ein bestimmtes Volumen einnimmt und eine Oberfläche ausbildet. Im gasförmigen Aggregatzustand überwiegt die Wärmebewegung über die zwischenmolekularen Kräfte, sodass freie, nicht mehr aneinander gebundene Atome und Moleküle vorliegen und das Gas den ihm zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig ausfüllt, sofern es nicht durch äußere Kräfte (z. B. die Erdatmosphäre durch die Schwerkraft der Erde) in einem bestimmten Bereich gehalten wird. Materie im Plasmazustand dehnt sich ebenfalls wie ein Gas aus, ist jedoch durch die Ionisierung ihrer Bestandteile elektrisch leitfähig und von Lichterscheinungen begleitet.

 

Beim Übergang von einem Aggregatzustand zu einem anderen wird Wärme verbraucht (Schmelzwärme, Verdampfungswärme oder Sublimationswärme) oder Wärme frei (Kondensationswärme). Zwischen den Aggregatzuständen eines Stoffes ist unter gewissen Bedingungen Gleichgewicht möglich, das durch die gibbssche Phasenregel bestimmt wird.

 

Die Druck- und Temperaturgebiete, in denen die einzelnen Aggregatzustände stabil sind, werden im Zustandsdiagramm von Reinstoffen durch die entsprechenden Grenzlinien (Phasengrenzen) fest/flüssig (Schmelzkurve), fest/gasförmig (Sublimationskurve) und flüssig/gasförmig (Dampfdruckkurve) voneinander getrennt. Nur auf diesen Grenzlinien, die im Tripelpunkt ihren Ausgang nehmen, liegen die entsprechenden Aggregatzustände nebeneinander vor. Bei Temperaturerhöhung endet die Dampfdruckkurve im kritischen Punkt, an dem die Eigenschaften von Flüssigkeit und Gas physikalisch nicht mehr unterscheidbar sind und außerdem kritische Phänomene auftreten. Auch innerhalb eines bestimmten Aggregatzustands können Phasengrenzen auftreten, die verschiedene Phasen des gleichen Aggregatzustands im Zustandsdiagramm voneinander trennen (z. B. Graphit und Diamant beim Kohlenstoff, Helium I und Helium II beim flüssigen Helium, δ- und γ-Eisen sowie paramagnetisches und ferromagnetisches α-Eisen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm).