Weshalb bleibt die Temperatur bei einer Aggregatzustandsänderung konstant?

Am Beispiel des Verdampfens bzw. Kondensierens soll im Folgenden exemplarisch das Konstanthalten der Temperatur bei Aggregatzuständen erklärt werden. Diese Überlegungen können auch auf den Schmelz- bzw. Erstarrungsvorgang oder auch auf den Sublimations- bzw. Resublimationsprozess übertragen werden.

Wie bereits im Kapitel Aggregatzustandsänderung qualitativ erläutert sind im flüssigen Zustand die zwischen den Teilchen wirkenden intermolekularen Bindungskräfte (im Falle von Wasser sind dies Wasserstoffbrückenbindungen) zwar relativ schwach aber dennoch in ausreichendem Maße vorhanden, um die einzelnen Teilchen gegenseitig aneinander zu binden.

Diesen Zustand kann man sich mit Kugeln veranschaulicht vorstellen, die über elastische Gummibänder miteinander verbunden sind. Dabei entsprechen die Gummibänder den Bindungskräften. Wird eine Flüssigkeit nun erwärmt, so werden die Bindungskräfte durch die stärker werdenden Teilchenbewegungen mehr und mehr "gelockert". Im übertragenen Sinne entspräche dies einem Überdehnen der Gummibänder aufgrund der zunehmenden Bewegung, bis hin zu einem regelrechten Ausleiern und damit dem Verlust der Elastizität [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung]. Der Siedepunkt der Flüssigkeit wäre in diesem Zustand erreicht.

Aggregatzustandsänderung, Wasser, konstante Temperatur, Wasserstoffbrückenbindungen, Bindungen

Abbildung: Schematische Darstellung der Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser

In diesem Punkt sind die Kugeln kaum noch elastisch aneinander gebunden und eine weitere (Wärme-)Energiezufuhr wird nicht mehr in einer höheren Bewegungsenergie resultieren sondern zum Aufreißen der Bänder führen - der Verdampfungsvorgang beginnt. Die losgerissenen Kugeln sind nun völlig frei und im übertragenen Sinne in den gasförmigen Zustand übergegangen [fahre hierzu mit der Maus über die untere Abbildung].

Aggregatzustandsänderung, Wasser, konstante Temperatur, Wasserstoffbrückenbindungen, Bindungen, gasförmig

Abbildung: Änderung der Bindungskräfte beim Verdampfen

Überträgt man diese Analogie auf den verdampfenden Stoff, so lässt sich folgendes schlussfolgern. Die zugeführte Wärmeenergie während des Verdampfens führt also deshalb nicht zu einer weiteren Erhöhung der Bewegungsenergie der Teilchen (und damit nicht zu einer weiteren Temperaturerhöhung), weil die Wärmeenergie dazu genutzt wird die intermolekularen Bindungskräfte "aufzubrechen". Die (Wärme-)Energiezufuhr während der Verdampfung kommt also ausschließlich dem Ändern der Bindungsverhältnisse zugute. Deshalb bleibt die Temperatur während der Verdampfungsphase solange konstant, bis die Aggregatzustandsänderung vollständig abgeschlossen ist. Erst anschließend kann die Temperatur des nun vollständig gasförmigen Stoffes durch weitere Wärmezufuhr weiter erhöht werden. 

Kondensiert ein Stoff, so gibt dieser die zuvor aufgenommene Verdampfungswärme wieder als Kondensationswärme ab. Dieser Prozess kann man sich ebenfalls mit Kugeln und Gummibänder veranschaulicht vorstellen. Während die Teilchen in der Gasphase relativ frei beweglich sind, werden die Teilchen im flüssigen Zustand von intermolekularen Kräften zusammengehalten. Auf die analoge Weise kann man sich die Kugeln in einer solchen "Gasphase" vorstellen, die zunächst völlig frei bewegen. Im festen Zustand hingegen sind die Kugeln mit Gummibändern aneinander gebunden.

Der Kondensationsvorgang entspricht somit dem Einfangen der freien Kugeln mithilfe von Gummibändern, die an den Kugeln im festen Zustand angebracht sind (ähnlich eines Cowboys beim Lassowurf, um ein entlaufenes Rind zu fangen). Die wild umherfliegenden Kugeln in der "Gasphase" schlagen beim Einfangen mit voller Wucht auf das dichtere Netzwerk der bereits eingefangenen Kugeln der "Flüssigkeitsphase". Die frisch eingefangenen Kugeln übertragen somit beim Aufprall einen Teil ihrer Energie auf die bereits eingefangenen Kugeln. Damit dabei allerdings nicht wieder bereits eingefangene Kugeln herausgeschlagen werden, muss diesen zusätzlich Energie entzogen werden. Dies entspräche im übertragenen Sinne dem Abführen der Kondensationsenergie, damit der kondensierte Stoff auch dauerhaft flüssig bleibt und sich die darin befindlichen Teilchen eben nicht wieder "losreißen" können.

Übertragen auf den kondensierenden Stoff bedeutet dies folgendes. Einerseits findet also ein (Wärme-)Energieübertrag während des Aufpralls von den Teilchen der Gasphase auf die Teilchen der Flüssigkeitsphase statt, andererseits wird jedoch (Wärme-)Energie abgeführt, um die Teilchen dauerhaft aneinander binden zu können. Die im Inneren frei werdende "Aufprallenergie" wird durch die von außen abgeführte Kondensationswärme kompensiert. Obwohl von außen Kondensationswärme abgeführt wird, kommt es aufgrund der inneren Wärmefreisetzung deshalb nicht zu einer Temperaturerniedrigung. Erst wenn der Kondensationsvorgang vollständig abgeschlossen und alle Teilchen wieder aneinander gebunden sind und somit keine innere "Aufprallenergie" mehr zur Verfügung steht, führt eine äußere Wärmeabfuhr wieder zu einer Temperaturerniedrigung.

Beachte, dass eine isotherme Aggregatzustandsänderung (also ein Phasenübergang mit konstanter Temperatur) in der Regel nur bei Reinstoffen auftritt. Bei Stoffgemischen hingegen bleibt die Temperatur während einer Aggregatzustandsänderung im Allgemeinen nicht konstant. Für solche Stoffe verlangsamt sich die Temperaturerhöhung bzw. -erniedrigung lediglich und wird nicht vollständig gestoppt wie bei Reinstoffen.

Diese Seite verwendet Cookies. Mit Verwendung dieser Seite erklären Sie sich hiermit ausdrücklich einverstanden. Für mehr Informationen sowie die Möglichkeit zur Deaktivierung klicken Sie auf "Datenschutzerklärung".
Datenschutzerklärung Einverstanden