Reale Substanzen in verschiedenen Aggregatzuständen
Zustandsfläche einer realen Substanz
Bei hinreichend tiefen Temperaturen ( T < Tk ) werden alle
Gase flüssig und bei noch tieferen Temperaturen fest. Nehmen wir einen
Körper einer bestimmten Stoffmenge n, so gibt es für jeden Zustand
des Körpers einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Druck p, dem
Volumen V und der Temperatur T. Dieser Zusammenhang läßt sich
durch eine Zustandsgleichung in p, V und T ausdrücken und durch eine
p-V-T-Fläche in einem räumlichen kartesischen Koordinatensystem
darstellen (siehe Abb.). Es handelt sich bei unserer Abbildung um eine
schematische, keineswegs maßstäbliche Darstellung.
Abb.: Zustandsfläche realer Substanzen (nach Sears und Zemansky)
Isothermen einer realen Substanz
Wir betrachten zunächst die Isothermen (T = const) und beginnen dabei
mit den Kurven für hohe Temperaturen. Dabei verfolgen wir die Zustandsänderungen
jeweils von großem Volumen ausgehend zu kleineren Volumina.
Bei Temperaturen T1 genügend weit oberhalb der kritischen
Temperatur Tk, also T1 >> Tk sind die
Isothermen Hyperbeln (Ideales Gas). Mit Annäherung an die kritische
Temperatur werden sie verzerrt (Reales Gas).
Bei Temperaturen T2 zwischen der kritischen Temperatur Tk
und der sogenannten Tripeltemperatur Ttr also Ttr
< T2 < Tk ergeben sich Isothermen, wie sie
bei den realen Gasen (Dämpfen) für Temperaturen unterhalb der
kritischen Temperatur besprochen wurden. Bei Volumenverkleinerung bildet
sich vom Punkt A2 der Zustandsfläche an bei konstant bleibendem
Druck neben dem Gas (gesättigten Dampf) immer mehr Flüssigkeit,
bis bei B2 die ganze Substanz verflüssigt ist.
Von der Temperatur Ttr an ist das Verhalten der Substanz
für uns neu. Bei dieser Temperatur verläuft die Isotherme zunächst
bis zum Punkt Atr der Zustandsfläche wie beim realen Gas
(ungesättigten Dampf). Von Atr an existieren längs
der "Tripellinie" gleichzeitig alle drei Aggregatzustände: fest, flüssig
und gasförmig, nebeneinander. Bei weiterer Volumenverkleinerung bleibt
der Druck (Tripeldruck) bis zum Punkt Ctr konstant. Es ändern
sich dabei nur die Anteile der drei Aggregatzustände. Vom Punkt Ctr
an ist die Substanz nur noch fest.
Bei Temperaturen T3 < Ttr hat man zunächst
wieder den Verlauf der Isothermen eines realen Gases (Dampfes). Beim Punkt
A3 der Zustandsfläche kommt man aber in ein Gebiet, in
dem der feste Zustand neben dem gasförmigen existiert. Bei Volumenverkleinerung
kondensiert immer mehr Gas (Dampf) unmittelbar, d.h. ohne flüssig
zu werden, in den festen Aggregatzustand. Von B3 an ist
die ganze Substanz fest geworden.
Projiziert man die p-V-T-Fläche der obigen Abbildung auf die p-V-Ebene,
so erhält man die Kurven der nebenstehenden Abbildung. Das p-V-Diagramm
ist eine Vervollständigung des Diagramms aus dem Unterricht durch
Einbeziehen des festen Aggregatzustands. Längs der Tripellinie existieren
die Mischphasen fest-gasförmig, fest-flüssig und flüssig-gasförmig
nebeneinander.
Abb.: V-p-Diagramm realer Substanzen
Isobaren einer realen Substanz
Denken wir uns eine reale Substanz in einem Zylinder mit leicht verschiebbarem
Kolben eingeschlossen und den Druck p durch eine konstante Kraft auf den
Kolben konstant gehalten. Bei Zufuhr von Energie durch Wärme, z.B.
durch eine elektrische Heizung, steigt dann die Temperatur T oder es ändert
sich der Aggregatzustand. Gleichzeitig ändert sich auch das Volumen
V. Diese isobaren (p = const) Zustandsänderungen können
wir auf der Zustandsfläche verfolgen.
Wir betrachten die in der Zustandsfläche gestrichelt eingezeichnete
Isobare D E F G H I näher. Von D nach E steigt die Temperatur der
festen Substanz. Dabei dehnt sie sich entsprechend aus. Sobald der Punkt
E erreicht ist, beginnt bei weiterer Zufuhr von Energie die Substanz zu
schmelzen, wobei die Temperatur konstant bleibt. Im Punkt F ist die ganze
Substanz flüssig geworden.
Vom Punkt F aus steigt bei weiterer Zufuhr von Energie die Temperatur
der Flüssigkeit unter gleichzeitiger Ausdehnung bis zum Punkt G. Hier
beginnt die Flüssigkeit zu verdampfen. Trotz laufender Energiezufuhr
bleibt die Temperatur konstant, bis im Punkt H alle Flüssigkeit verdampft,
d.h. die Substanz vollständig in den gasförmigen Zustand (als
reales Gas) übergegangen ist. Von H bis I steigt die Temperatur dieses
realen Gases unter Volumenvergrößerung an. Die Substanz nähert
sich dabei dem Zustand eines idealen Gases.
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