Phaas (Materie)

Bi de Materie beschrifft de Phaas den Tostand, in den sik de Materie befinnt. De Phaas is bi jeden Stoff op ünnerscheedliche Oort afhangig vun de Temperatur un vun den Druck un is dorüm physikalsch en Saak, de in de Thermodynamik ünnersocht warrt.

De Afhangigkeit vun de beiden Tostandsgrötten warrt in de Thermodynamik tomeist as Phasendiagramm dorstellt. De Indeelen baseert op de dree Tostännen, welke de Minsch al lange Tiet kennt. Disse dree Phasen warrt ok as klassische Phasen betekend. Dör de betere Technik künnt de Wetenschopplers vundaag aver de nöömten Tostandsgrötten so hooch maakt warrn, woans dat fröher nich güng. Dorbi hett man Tostännen opdeckt, de nich in de künnigen Phasen passt. De nöömt sik denn nichklassisch Phasen.

Klassische Phasen

De dree klassischen Materie-Phasen sünd:

• fast – in dissen Tostand behollt de Stoff normalerwies sien Form un sien Volumen bi. Man seggt dorto ok Faststoff.
• fletig – in dissen Tostand behollt de Stoff normalerwies sien Volumen bi, aver de Form passt sik jümmers an den Ruum an, wo de Stoff binnen is. Man seggt dorto ok Fletigkeit.
• gasförmig – in dissen Tostand füllt de Stoff den ganzen Ruum ut, de dor is. Dor blifft also ok dat Volumen nich mehr gliek. So en Stoff nöömt man Gas.

Bi de Faststoffen warrt ok noch wieter ünnerscheed:

• kristallin nöömt man en Faststoff, de en Feernorden opwiest. Man seggt dorto ok Kristall. Dat sünd spröde Faststoffen, de jemehr Form nich ännert.
• amorph nömmt man en Faststoff, de blots en Nahorden hebbt.

Deelkenmodell vun de Phasen

De Egenschoppen vun de klassischen Phasen künnt goot mit dat Deelkenmodell verklort warrn. Man denkt sik dorbi eenfach, dat de Materie ut de so nöömten lüttsten Deelken tohopensett is. Dat sünd de Atomen, Molekülen oder Ionen. De sünd in Wohrheit gor nich de lüttsten Deelken un seht ok anners ut, man för dat Verkloren vun de Phasen reckt dat, wenn een annimmt, dat de Materie ut lütte Kugels besteiht.

As Maat för de Temperatur warrt för all Phasen de middlere kinetische Energie vun de Deelken nahmen. Man de Bewegen is ünenrscheedlich bi de dree Phasen, de’t gifft. In’t Gas bewegt sik de Deelken liekut, bit se mit en anneret Deelken oder mit de Wand vun’n Ruum tohopenstööt. In Fletigkeiten liggt de Deelken nööger tohopen. Dor mööt de Deelken dör de Lücken twüschen jümmer Navers dörkrupen (Diffusion, Brownsche Molekularbewegen). Un in Faststoffen künnt de Deelken man blots üm jümmer Rohlaag rümswingen.

Faste Phaas

Bewegen: De lüttsten Deelken sünd in en’n Faststoff blots ganz lütt beten in Bewegen. Se swingt dorbi üm een fasten Oort, jümmern Gidderplatz, un roteert üm jümmer Assen. Je hööger de Temperatur warrt, üm so duller swingt un roteert se, wobi de Afstand twüschen de Deelken denn normalerwies grötter warrt. En Utnahm is dorbi de Dichtanomalie. De Form vun den Stoff blifft bi dit Swingen aver liek, as de Deelken an jümmer Steed blieft.

Henwies: Na de Grundsätz vun de Quantenmechanik künnt de Deelken vun wegen de Heisenbergsch Unscharpderelatschoon an sik to keen Tiet still stahn. Se hebbt lütte Swingen, de ok as Nullpunktsfluktuatschoonen betekend warrt. Dat is lieks den Grundtostand vun en Harmonischen Oszillater.

Antrecken: Twüschen de Deelken sünd verscheeden Kräft an’n Wark, de de Deelken ünnerenanner antrecken doot. Dat sünd Van-der-Waals-Kräft, de elektrostatsch Kraft twüschen Ionen, Waterstoffbrüchenbinnen oder kovalente Binnen – wokeen dat in’n enkelten Fall is, hangt vun den atomaren Opbo vun de Deelken af. Dat Antrecken twüschen de Deelken is sünners hooch bi Stoffen, de ok bi hooge Temperaturen noch fast sünd. Disse Kräft sorgt dorför, dat sik Faststoffen blots swor verformen laat un man jüm ok nich so eenfach opdeelen kann.

Anorden: de Deelken sünd regelmatig anordent, as se sik jo ok nich veel bewegen doot. Bi de meisten reinen Stoffen sünd de Deelken düchtig regelmatig, wat denn Kristalle sünd, blots wenige sünd amorph. Bi de Stoffen sünd de Deelken mehr in unschick un meist so wenig ordent as in Fletigkeiten, man de Bewegen is sotoseggen infror’n.

Afstand: De Afstand twüschen de Deelken is wegen de starke Antrecken bannig lütt. Man snackt ok vun en hooge Packdicht. Dorüm lett sik en Faststoff kuum mehr verdichten. Blots dör Temperaturännern ännert sik dat Volumen.

Fletig Phaas

Bewegen: In Fletigkeiten sünd die Deelken nich fast an en Steed, man se laat sik gegenenanner schuven. De Deelkenbewegen warrt bi stiegende Temperatur jümmers sneller.

Antrecken: De Deelkenbewegen is nu so dull, dat de Kräft twüschen de Deelken nich mehr reckt, üm jüm an Oort un Steed to hollen. Se künnt sik nu free bewegen. En Fletigkeit verdeelt sik dorüm sülvst, wenn he nich dör en Fatt fasthollen warrt. Annere Stoffen künnt sik in Fletigkeiten vun sülvst verdeelen (Diffusion). Bi Farvstoffen kann man dat goot sehn.

Anorden: Ofschoonst de Deelken sik free bewegen künnt un sik dorüm jümmer nieg anordent, gifft dat en Nahorden as bi de amorphen Faststoffen. Blots dat sik de Deelken bi Fletigkeiten noch beter un flinker bewegen künnt.

Afstand: De Afstand is in Fletigkeiten al wat grötter, aver de Deelken hangt jümmers noch aneenanner. De Stoff warrt fletig dorüm beweglich un bruukt ok mehr Ruum, aver as en Faststoff kann de Fletigkeit ok nich sünnerlich goot verdicht warrn.

Gasphaas

Bewegen: Deelken in en Gas bewegt sik bannig snell un dull. So en Stoff verdeelt sik gau över’n ganzen Ruum. In en afslaten Ruum maakt dat Anstöten vun de Deelken an de Ruumwand den Druck ut.

Antrecken: In’n Gastostand is de Energie vun de Deelken so hooch, dat de Kräft, de jüm Antrecken deit, nich mehr groot noch is, üm jüm tohopen to hollen. Gas verdeelt sik dorüm gliekmatig övern Ruum.

Anorden: Wiel dat keen Tohopenhollen mehr gifft twüschen de Deelken in en Gas, gifft dat ok keen Orden.

Afstand: De Afstand twüschen de Deelken is düchtig groot. Blots af un an stött en Deelken op en annert. Gas kann dorüm licht tohopendrückt warrn, d. h. Gas lett sik licht verdichten.

In de physikaalsch Chemie ünnerscheed man twüschen Damp un Gas. Physikalsch sünd beide in gasförmig Phaas, beid hebbt ok nicht direkt wat mit real’t Gas oder ideal’t Gas to doon. In de Alldagsspraak warrt normalerwies dat as „Damp“ betekend, wat in’n physikalschen Sinn en Mischen ut fletige un gasförmige Bestanddeelen is. Bi Water snackt man denn vun Nattdamp.

Dormit is en Gliekgewichtstostand twüschen fletig un gasförmig Phaas meent. Dat kann ahn Arbeid rinstecken to möten verfletigt warrn, wat so veel bedüd as dat bi’t Verfletigen de Druck nich anstiggt.

Dat Gegendeel is de so nöömte Hittdamp, de in’n egentlichen Sinn en real Gas ut Watermolekülen dorstellt. De Temperatur liggt denn över den Kaakpunkt vun de fletige Phaas bi den jeweilig Druck.

Phaasännern

Wenn sik de Temperatur vun en Stoff ännert, denn kann sik ok de Phaas dorbi ännern. De Övergäng vun en Phaas in en annere hebbt all jümmer egen Naams un sünd afhangig vun de Tostandsgrötten Druck un Temperatur. De Bedingungen kann man in dat Phasendiagramm vun den Stoff aflesen, dat sünd de Phasengrenzen in’t Diagramm.

vun↓   \   na→	Faststoff	Fletigkeit	Gas
Faststoff	-	Smölten an’n Smöltpunkt	Sublimatschoon/Sublimeeren an’n Sublimatschoonspunkt
Fletigkeit	Verklamen/Freren an’n Klaampunkt	-	Verdampen/Kaaken am Kaakpunkt
Gas	Resublimatschoon/Resublimeeren an’n Sublimatschoonspunkt	Kondensatschoon an’n Kondensatschoonspunkt	-

Bito kann en Stoff aver ok Verdampen oder Sublimieren, wenn de Temperatur noch ünner den Kaak- oder Sublimatschoonspunkt liggt. Disse Vörgang geiht veel langsamer un warrt as Verdunsten betekend.

Bispelen ut’n Alldag

De Phasenövergäng an’t Bispeel Water.

De Phasenövergäng kann man all in’n Alldag an’t Bispeel Water sehn. Wenn man Ies ut den Köhlschapp rutnimmt, denn fangt dat an to smölten, wenn de Temperatur baven den Smöltpunkt liggt. Wenn man anners rüm en Putt mit Water in Iesschapp rinstellt, denn bildt sik na un na Ieskristallen, bit an’n End en fasten Ieswörpel dorbi rutkummt.

Dat Verdampen kann man sehn, wenn man en Kaakputt mit Water op’n Heerd stellt un dat Water över den Kaakpunkt hitt maakt. Dat Blubbern bi’t Kaken kummt vorun, dat de Gasphaas ünner de Bavenflach vun’t Water entsteiht un denn opstiggt. De Waterdamp is man ahn Klöör un dorüm nich to sehn. Aver wenn de Damp afköhlt, denn kondensiert dorut lütte Waterdrapens, de man denn wedder sehn kann. Wulken t. B. sünd en Ansammeln vun lütte Waterdrapens, de baven in de Luft ut Waterdamp kondenseert, wo de Luft to koolt is för den Damp.

De Sublimatschoon kann man sehn, wenn in’n Winter na’t Waschen dat Tüüch buten op de Lien hungen warrt. Dat früst denn eerst, aver liekers warrt de Kledaasch mit de Tiet dröög, wiel dat faste Ies ok direkt in de Gasphaas wesseln kann. Ümgekehrt kann een in Winter ok sehn, wie sik an Schieven witte Ieskristallen afsetten doot. De sünd dat Ergevnis, wenn Waterdamp sik direkt as Ies afsetten deiht.

Deelkenmodell för Phasenövergäng

Dat Smölten löpt ungefäähr so af: As de Temperatur jümmers hööger warrt, bewegt sik de Deelkens in’n Faststoff jümmers duller, blievt aver wegen de Van-der-Waals-Kräft an jümmer Steed in’t Gidder, ok wenn de Afstänn na un na grötter warrt. Wenn de Smöltpunkt schapt is, warrt dat Swingen so dull, dat dat Gidder steedenwies openbrecken deiht. Dorbi kummt Deelkengruppen tostannen, de sik free bewegen künnt. In Gegendeel to’n Kristallgidder gifft dat nu blots noch de Nahorden.

Bi’t Freren geiht dat annersrüm. De Bewegen warrt langsamer un de Afstännen warrt lütter. Wenn de Temperatur lütter warrt, fangt de Deelken an, sik gegensietig to blockeeren un den Wesselwikren warrt wedder starker. Dorophen nehmt de Deelken wedder en Steed in en dreedimensional Gidder in. Dat gifft eenige Fletigkeiten, de bi’t Verklamen en grötter Volumen kriegt. Dor snackt man denn vun en Dichtanomalie.

Verdampen un Sublimeeren is en beten wat komplezeerter. De Snelligkeit vun de Deelken is nich liek. En Deel dorvun is sneller, en annern Deel langsamer as de Dörsnitt. De Snelligkeit vun en enkelt Deelken ännert sik bi jedet Tohopstötten. Dicht bi’n Övergang vun en Faststoff oder en Fletigkeit to en Gasphaas kann dat mitünner vörkommen, dat en Deelken so düchtig een mitkriggt, dat dat op’n Slag ut de Influss vun de Kohäsionskraft utneiht.

Dit Deelken gweiht denn in den gasförmig Tostand över un nimmt en Deel vun de Warmsenergie mit. De faste oder fletige Phaas köhlt dorbi also en beten af. Wenn de Temperatur denn Kaak- oder Sublimatschoonspunkt schapt, passeert dat in en Tour, bit all Deelken in de Gasphaas gahn sind. In denn Fall blifft de Temperatur vun dat System de hele Tiet gliek, wiel all Deelken, de warmer sünd ut dat System verswindt. De högere Warms warrt also as högere Entropie ümsett.

Wenn Deelken jümmern Phasenövergang hebbt, nehmt se mehr Energie op, as wenn se normal hittmaakt warrt. Dorüm warrt ünnerscheed twüschen Verdampen un Verdunsten. Wenn de Kohäsionskräft vun den Stoff aver groot sünd, oder sik dat üm een veel starkere Binnen hannelt, as t. B. Metall- oder Ionenbinnen, denn gifft dat keen Verdunsten.

Dat Kondenseeren oder Resublimeeren funktschoneert wedder anners rüm: En Deelken stött op en fasten oder fletigen Stoff un gifft bi’t Opdrapen sien Impuls af un blifft denn in de Kohäsionskräft hangen. Dat System warrt dordör en beten wat warmer. Üm so veel, as dat Deelken mehr Energie harr as de Dörsnitt vun dat System. Bi en Deelken vun en Stoff, dat bi disse Temperatur in Gasphaas vörliggt, is de Kohäsion to swack, ün dat Deelken fasttohollen. Sülvst wenn dat so veel Energie afgifft, dat dat Deelken koot ünner de Temperatur fallt, kriggt he mit den nächsten Stötten wedder so veel, dat dat wedder utneiht.

Sackt de Temperatur wieter af dör Afköhlen, künnt sik de Deelken wedder tohopenfinnen un bildt na un na wedder en fletige oder faste Phaas.

Phasendiagramm

Hööftartikel: Phasendiagramm

Twee Phasendiagramme, eenmol ahn, eenmal mit Dichtanomalie.

Phasendiagramme beschrievt de Afhangigkeit vun de Phaas vun de Tostandgrötten Druck (Formelteken: p) un Temperatur (Formelteken: T). Man seggt dorto ok p,T-Diagram afleidt vun de Formelteken. De Lienen in dat Diagramm wiest op, woneem de Övergäng twüschen twee Phasen afloopt. Dorüm warrt se ok de Phasengrenzlienen nöömt. Op disse Lienen gifft dat beide Phasen to lieken Tiet in en Oort Gliekgewicht.

Twee sünnerlich Öört sünd in dat Diagramm indragen – dat is to’n een de Tripelpunkt un to’n annern de kritische Punkt:

An’n Tripelpunkt drapt sik de Phasengrenzlienen. Physikaalsch heet dat, dat an dissen Punkt all dree Phasen to lieken Tiet vörkommen künnt. Ut den Grund is dat en gote Basis för’t Fastleggen vun Temperaturskalen. För jeden enkelten Stoff liggt de Tripelpunkt fast för en sünnerlich Druck-Temperatur-Verhollen. Warrt de Druck lütter, kann de Stoff nich mehr in fletig Form vörkommen. Doröver liggt de Stoff fast, fletig oder gasförmig vör afhangig vun de Smölt- un Kaakemperatur, de vör de enkelten Druck gellt. De Phasengrenzlienen hebbt ok noch egen Naamen na den Vörgang, den se trennen doot: Bi en Druck ünner den Tripelpunkt seggt man Sublimatschoonskurv, twüschen Tripelpunkt und kritischen Punkt warrt se Kaakkurv nöömt un twüschen Tripelpunk un faste un fletige Phaas snackt man vun Smöltkurv.

De kritische Punkt is nu ok en sünnerlich Punkt, de op de Kaakkurv liggt, also op de Grenzlien twüschen fletig un gasförmig. Warrt de Druck grötter as an’n kritischen Punkt, denn hett de Stoff as Fletigkeit un as Gas de sülve Dicht. Ut den Grund kann twüschen de beiden Phasen nich mehr ünnerscheed warrn, un dorüm is för dit Rebeet in’t Diagramm ok keen Phasengrenzlien mehr defineert.

Mischen vun Stoffphasen

Wenn Stoffen tohopenmischt warrt, den gifft dat ok dorför sünnerlich Beteken. Dorbi is meent, dat ünnerscheedlich Stoffen mitenanner mischt warrt, also nich Ies in Water, aver t. B. Waterdamp in Luft oder Ööl in Water. Woans so’n Mischen nöömt warrt, is in de Tabell tosamenfaat:

in → ↓mischt	Faststoff	Fletigkeit	Gas
Faststoff	Legeeren, Konglomerat	Suspension, Sweevstoffen, Mudd, Kolloid	Rook, Aerosol
Fletigkeit	Gel, natten Schwamm	Emulsion, Dispersion	Nevel, Aerosol
Gas	Hartschuum	Schuum	Gasmischen

Nichklassische Phasen

Annere Tostännen vun Stoffen as de dree klassischen sünd fröher noch nich begäng wesen. Disse nichklassischen Phasen gifft dat to’n Deel ok blots ünner düchtig grote oder düchtig lütte Tostandsgrötten, de eerst mit verbeterte Technik ünnersocht warrn kunnen. De nichklassischen Phasen sünd (vun bannig koolt na düchtig hitt):

• Dat Bose-Einstein-Kondensaat is en Ansammeln vun düchtig koole Atomen, de quantenmechansch den lieken Tostand innehmt un dorüm nich mehr to ünnerscheeden sünd. De Atomen verhollt sik dorbinnen all liekers, so as en eenzig groot Atom.
• Dat Suprafluid is sotoseggen fletiger as fletig, nipp un nau is dat en Fletigkeit, de keen innere Rieven opwiesen deit. Dat heet, dat en Strömen dor binnen nich wedder ophöhrt mit de Tiet.
• De mesomorph Tostand is en Oort Twüschending twüschen de faste un de fletige Phaas, de in verscheeden Dorstellen vörkommten künnt, as t. B bi Fletigkristallen oder bi plastische Kristallen.
• Dat överkritisch Fluid kummt tostannen bi’n Druck över den kritischen Punkt, wo de Stoff as en Oort Mischphaas vun fletig un gasförmig vörliggt.
• As Atomgas warrt en Gas betekend, dat ünner normale Tostännen ut Molekülen besteiht, aver nu so veel Energie hett, dat dör dat stännige Tohopenstööten de Binnen tonicht maakt waart. Denn gifft dat blots noch enkelte Atomen.
• In’n Plasma is de innere Energie so hooch, dat de Atomen wieter tweigaht un jümmer Elektronenhüll verleert. Fre’e Elektronen kommt denn tostannen. Disse Tostand kummt blots bi düchtig Hitt vör as in Karnreakters oder in de Sünn.
• Welkmal warrt ok dat Vakuum is en Phaas ankeken.

Dat Plasma un dat Vakuum sünd physikalsch sehn an sik keen echte Phasen, wiel dat keen Övergang gifft, wokeen de Phasengrenzen dorstellt. In’n Vakuum gifft dat jo ok gor keen Deelken, dorüm kann dat keen Tostand wesen.

Plasma ensteiht bi Temperaturen vun mehr as ca. 5000 K. Bi disse hogen Temperaturen verfallt Gas in fre’e Elektronen un ioniseerte Atomkarns. Vörkommen kann sowat aver ok bi sietere Temperaturen. Plasma entsteiht aver nich dör en Phasenövergang, man ut en Reaktschoon vun en Atom in en Ion un Elektronen. Dorüm is dat ok ümstreden, of Plasma nu as Phaas gellen kann oder nich. Dat Gliekgewicht twüschen dat elektrisch neutral Atom un de Ionen warrt dör de Saha-Glieken beschreven.

För de Karnfusion is interessant to weten, dat bi noch högere Temperaturen de Atomenkarns ok ganz freeleggt warrn künnt. Vun Grundsatz her verhollt sik en Plasma jüst liekers en Gas, man dordör, dat de lüttsten Deelken Kationen un Elektronen sünd, kann Plasma den Stroom düchtig goot leiden.