1 Aggregatzustand von Wasser - In der Natur ist Wasser der einzige Stoff, der in allen drei Aggregatzuständen vorkommt (fester Zustand [Schnee, Hagel, Eis], flüssiger Zustand [Grund-, Oberflächen- und Regenwasser} und gasförmiger Zustand [Wasserdampf in der Luft]).
Die drei Zustandsformen lassen sich durch die Ordnung der kleinsten Teilchen feststellen. Die Veränderung der Temperatur führt zu einer Änderung der Bewegungsenergie der Teilchen. Bei zunehmender Temperatur wird ihre Bewegung stärker, bei abnehmender Temperatur schwächer.
• Im festen Zustand nehmen die Teilchen feste Plätze ein und liegen sehr dicht aneinander. Sie bewegen sich geringfügig.
• Im flüssigen Zustand nehmen die Teilchen keine festen Plätze ein und sie sind gegeneinander beweglich.
• Im gasförmigen Zustand sind die Teilchen frei beweglich und ihre Abstände sind sehr groß.
• Ein gelartiger Zustand im Wasser bildet sich natürlicherweise an allen wasserliebenden Grenzflächen (Das Thema wird strittig diskutiert)
Aggregatzustand einfach erklärt
Studyflix GmbH
Die Phasen des Wassers - eine Faszination vor allem im Winter
Dipl.-Met. Lars Kirchhübel, Deutscher Wetterdienst
Der vierte Aggregatzustand von Wasser
Josef Gamon, WORLDTIMES
Plasma wird als "vierter" Aggregatzustand bezeichnet. Wenn mit steigender Temperatur alle Stoffe gewöhnlich nacheinander vom festen in den flüssigen und dann in den gasförmigen Zustand übergehen, entsteht bei weiter steigender Temperatur und steigendem Druck ein Plasma. Das ist ein Stoff, dessen Bestandteile teilweise oder vollständig in Ionen und Elektronen aufgeteilt sind. Plasma lässt sich durch starkes Erhitzen von gasförmigen Stoffen oder mithilfe von elektrischen Feldern erzeugen und hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Das Verhalten der spezifischen Wärmekapazität eines Plasmas von der Temperatur unterscheidet sich von dem in festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen. Sie steigt bei den Temperaturen sehr stark an, bei denen ein großer Teil der zugeführten Energie in Ionisationsprozessen verbraucht wird. Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch, daß sich durch das Aufspalten der Atome oder Moleküle in Elektronen und Ionen die Anzahl der Teilchen stark vergrößert. Der Verlauf der spezifischen Wärmekapazität eines Plasmas zeigt deshalb eine Folge von einem maximale Ziel, die das Auftreten einfacher, doppelter, dreifacher usw. Ionisation ausweisen.
Chemisch gesehen ist Plasma sehr reaktiv und kann mit Oberflächen, Flüssigkeiten oder Mikroorganismen in Wechselwirkung treten.
Die Eigenschaften von Plasma lassen sich nicht genau festlegen, da sie in Abhängigkeit von Bedingungen der Umgebung (Temperatur, Feldstärken) sehr unterschiedlich sein können. Beobachten kann man Plasma als Naturphänomene (Blitze, Polarlicht, Sonnenatmosphäre).
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Plasmaforschung: Der vierte Aggregatzustand
Stefan Stohl, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt / Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.
In der Technik gibt es einige Anwendungen, in denen Plasma erzeugt wird (z. B. Gasentladungslampe [Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen]), in denen ein gasförmiger Stoff (z. B. Quecksilberdampf, Neon, Argon) durch elektrische Spannung ionisiert.
Ein Plasma hat ganz andere Eigenschaften als ein normales Gas. Zum Beispiel ist ein Plasma elektrisch leitend. Seine Bewegung lässt sich daher durch elektrische und magnetische Felder beeinflussen. Diese Eigenschaft machen sich Fusionsanlagen des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching bei München (ASDEX Upgrade) und in Greifswald (Wendelstein 7-X) zunutze. Sie schließen das heiße Plasma in einen "Magnetfeldkäfig" ein.
Die Plasmaphysik beschäftigt sich mit den physikalischen Eigenschaften von Plasmen
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
In der Biologie wird unter dem Plasma das Protoplasma verstanden, die Zellflüssigkeit mit ihren kolloidalen Bestandteilen, Proteinen, Kohlenhydraten, Fetten, usw. Das Protoplasma wird in Zytoplasma und Karyoplasma unterteilt.
In der Medizin wird das Plasma häufig mit dem Blutplasma gleichgesetzt. Selten kann auch das Seminalplasma gemeint sein.
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Die Anomalie des Wassers beschreibt eine Abweichung vom Normalen, das Volumen von Wasser sinkt beim Abkühlen nur bis zu einer Temperatur von 4 °C ab. Wenn es ab dieser Temperatur weiter abgekühlt oder erwärmt wird, nimmt das Volumen in beiden Fällen zu. Ein höheres Volumen führt zu einer geringeren Dichte (Dichteanomalie).
Wassertemperaturen im Teich, See oder Meer |
Dichteanomalie bedeutet, dass sich die Dichte von Wasser anders verhält als sich die Dichte von Stoffen normalerweise verhält. Normal ist, je niedriger die Temperatur, desto größer ist die Dichte. Wasser hat die größte Dichte allerdings bei 4 °C. Eis hat eine deutlich geringere Dichte als Wasser und schwimmt deshalb an der Wasseroberfläche. Die geringe Dichte ergibt sich aus der Kristallstruktur des Eises. Die Wassermoleküle sind weiter voneinander entfernt als beim Wasser im flüssigen Zustand.
Anomalie des Wassers
Studyflix GmbH
Anomalie des Wassers
LEIFIphysik - Joachim Herz Stiftung
Dichteanomalie
LEIFIphysik - Joachim Herz Stiftung
Die Anomalien des Wassers
St. Leonhards Akademie gGmbH
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Die Wärmekapazität ist ein Begriff aus der Thermodynamik und bezeichnet das Vermögen eines Körpers, Energie in Form von thermischer Energie statistisch verteilt auf die Freiheitsgrade zu speichern. Die Wärmekapazität gilt nicht über Phasengrenzen hinweg (Schmelzwärme und Verdampfungswärme) und ist innerhalb eines Aggregatzustandes mehr oder weniger von der Temperatur abhängig, Sie gibt an, welche Energie man einer bestimmten Masse eines Stoffes zuführen muss, um seine Temperatur um ein Kelvin zu erhöhen. Sie wird im Allgemeinen durch das Formelzeichen c dargestellt. Die abgeleitete SI-Einheit der spezifischen Wärmekapazität ist daher:
Die Gleichung, um Wärme, Masse, Temperaturänderung und spezifische Wärmekapazität in Zusammenhang zu bringen, ist:
dabei ist Q die Wärme, die der Materie zugeführt oder entzogen wird, m ist die Masse der Substanz (in kg), c ist die spezifische Wärmekapazität (in kJ·kg-1·K-1) und ΔT ist die Temperaturänderung (in K).
Einheit: [Q] = 1 J (1 Joule)
Beispiel
Es soll 1 Liter Wasser von 20 °C auf 90 °C erhitzen.
Der Wert c für Wasser mit einer Temperatur von 20 °C beträgt 4,1851 kJ·kg-1·K-1. (bzw. 4,1851 J·g-1·K-1.)
Da wir ja 1 Liter Wasser erhitzen wollen ist der Wert für m folglich 1 kg.
ΔT ist in dem Beispiel 70 K (363 K - 293 K).
Die Gleichung sieht demnach wie folgt aus:
Wärmekapazität - Hans-Peter Willig, ChemieSchule
4 Verdampfungsenthalpie bzw. Verdampfungswärme (Verdampfungsenergie) > Wenn ein Stoff vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand übergeht, so spricht man von Verdampfung. Erhitzt man zum Beispiel flüssiges Wasser in einem Kopftopf stark, so wird es zu Wasserdampf. Wird hingegen der Wasserdampf wieder zu flüssigem Wasser, so nennt man dies Kondensieren. Beim Verdampfen von Flüssigkeiten sprich man auch von Sieden. Während des Siedens bleibt dabei die Flüssigkeit in ihrer Temperatur gleich; die zugeführte Wärme wird für den Wechsel des Aggregatzustandes verwendet. Die Siedetemperatur ist dabei vom Druck abhängig.
Wird der Dampf wieder kälter, so verflüssigt sich der Stoff wieder. Diese Verflüssigung bezeichnet man als Kondensation. Die Kondensationstemperatur und die Siedetemperatur sind gleich hoch.
Unter der Bedingung, dass der Druck konstant ist, gilt die folgende Formel zur Berechnung der Verdampfungswärme / Kondensationswärme:
"QV" die Verdampfungswärme / Kondensationswärme in Joule [ J ]
"qv" die spezifische Verdampfungswärme des Stoffes in Joule pro Kilogramm [ J / kg ]
"m" die Masse in Kilogramm [ kg ]
Quelle: Dennis Rudolph, Frustfrei-lernen
Verdampfungswärme - Hans-Peter Willig, ChemieSchule
Volumen - flüssiges Wasser und gasförmiges Wasser (Wasserdampf)
Die Verdampfungsenthalpie kann in einen Anteil, der die Änderung der inneren Energie ΔU in Form geänderter Bindungsenergie bewirkt, und in einen Anteil der die Volumenänderung zur Folge hat, aufgeteilt werden.
Die Summe aus innerer Energie und dem Produkt aus Druck und Volumen wird in der Thermodynamik auch als Enthalpie bezeichnet. Die Gleichung gibt somit die Änderung der Enthalpie des Stoffes durch die isobare Zufuhr der Verdampfungswärme wieder. Die Verdampfungswärme wird deshalb auch als Verdampfungsenthalpie bezeichnet.
Bei einer isobaren Verdampfung kommt die zugeführte Verdampfungswärme vollständig der Änderung der Enthalpie zugute und wird deshalb auch als Verdampfungsenthalpie bezeichnet!
Beachte, dass die Verdampfungswärme und die Verdampfungsenthalpie zwar im Wert identisch sind, jedoch unterschiedliche thermodynamische Bedeutungen haben. Die Enthalpie ist eine Zustandsgröße, die den energetischen Zustand eines Stoffes anhand der inneren Energie und des Drucks bzw. Volumens beschreibt (alle drei Größen sind Zustandsgrößen!). Die Wärme ist hingegen eine Prozessgröße und beschreibt lediglich den Prozess der Energieübertragung in ein System hinein bzw. von einem System heraus. Die über die Systemgrenze hinweg zugeführte Verdampfungswärme ist sozusagen die Ursache für die Änderung der Enthalpie des Systems. Die Verdampfungswärme ist folglich die Ursache und die Enthalpieänderung die hieraus resultierende Wirkung.
Verdampfungsenthalpie von Wasser
Für Wasser soll die Verschiebearbeit während der Verdampfung im Folgenden ermittelt werden. Zunächst nimmt 1 Kilogramm flüssiges Wasser bei einem Druck von 1 bar ein Volumen von rund 1 Liter ein. Nach dem vollständigen Verdampfen ist das Volumen auf rund 1692 Liter angestiegen (dieser Wert kann mit Hilfe der Van-der-Waals-Gleichung ermittelt werden). Die Volumenänderung nach dem Verdampfen beträgt somit ΔV = 1691 Liter. Für diese Volumenänderung ist folglich eine Energie von rund 169 kJ erforderlich:
Die insgesamt zuzuführende Verdampfungswärme für 1 Kilogramm Wasser beträgt gemäß Literatur 2257 kJ. Somit entfallen bei einem Umgebungsdruck von 1 bar folglich rund 7,5 % der insgesamt zugeführten Verdampfungswärme auf die Energie, die zur Vergrößerung des Volumens aufzuwenden sind. Die restlichen 92,5 % der Verdampfungswärme werden dann tatsächlich für die Änderung der Bindungsenergie (Änderung der inneren Energie) genutzt.
Quelle: Andreas Höfler, tec-science
5 Schmelzwärme bzw- Schmelzenthalpie bezeichnet die Energie, die benötigt wird, um eine Stoffprobe (z, B. Wasser) von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand zu überführen. Dabei werden Bindungskräfte zwischen Molekülen bzw. Atomen überwunden, ohne deren kinetische Energie und damit ihre Temperatur zu erhöhen. Erstarren ist der umgekehrte Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand.
Wird einem festen Körper Wärme zugeführt, dann geht er bei der Schmelztemperatur in den flüssigen Aggregatzustand über. Die zum Schmelzen erforderliche Wärme wird als Schmelzwärme bezeichnet.
Wird einer Flüssigkeit Wärme entzogen, dann geht sie bei der Erstarrungstemperatur in den festen Aggregatzustand über. Die beim Erstarren frei werdende Wärme wird als Erstarrungswärme bezeichnet.
Während des Schmelzens und des Erstarrens bleibt die Temperatur eines Körpers gleich groß.
Beim Schmelzen vergrößert sich das Volumen eines Körpers, bei Erstarren verringert es sich.
Wasser ist eine Ausnahme. Bei Wasser wird im Unterschied zu anderen Stoffen das Volumen beim Gefrieren (Erstarren) größer. Um 1 kg Eis mit 0 °C vollständig zu 1 kg Wasser mit 0 °C zu schmelzen, benötigt man eine Energiemenge von 334 kJ (Schmelzwärme [Schmelzenthalpie] und Erstarrungswärme [Kristallisationswärme])
Schmelzwärme
Dennis Rudolph, Frustfrei-lernen
Kristallisationswärme
Andreas Höfler, tec-science |