Phase (Thermodynamik)
In der Physikalischen Chemie, Thermodynamik und Materialwissenschaft bezeichnet man mit Phase eine Anhäufung von sehr vielen Teilchen, die über ein weites Volumen homogen ist. Dies bedeutet, dass in diesem Volumen überall die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften vorliegen.Zu diesen Eigenschaften gehören insbesondere die Dichte, die chemische Zusammensetzung und die Ordnung. Wichtige Phasen sind die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig, die sich nur in der Dichte und Ordnung unterscheiden.
Table of contents |
2 Verhalten 3 Schwierigkeit des Homogenitäts-Begriffs |
Viele Stoffe scheinen auf den ersten Blick eine Phase zu sein, sind
aber bei genauerer Betrachtung heterogen zusammengesetzt und bestehen
aus mehreren Phasen.
Eine gegebene Phase ist nicht unter allen Bedingungen stabil, sie
kann sich zum Beispiel in eine andere Phase umwandeln. Beispiele
für solche Phasenübergänge sind zum Beispiel das
Schmelzen oder Verdampfen, die durch Temperaturerhöhung
ausgelöst werden.
Unter manchen Bedingungen können mehrere Phasen gleichzeitig stabil
sein, beispielsweise existieren bei 0°C Wasser und Eis gleichzeitig,
entlang der Dampfdruckkurve koexistieren Wasser und Dampf.
Es können sogar mehr als zwei Phasen miteinander koexistieren, der
Tripelpunkt ist ein Beispiel. Allgemein läßt sich mit der
Gibbsschen Phasenregel die maximal mögliche Anzahl
der koexistierenden Phasen berechnen.
Um die gesamten möglichen Phasen eines Systems übersichtlich
darzustellen, werden sie in ein Phasendiagramm eingetragen. Ein
Beispiel-Phasendiagramm ist das Phasendiagramm Wasser.
Homogenität ist hier ein schwierig zu fassender Begriff: je nachdem,
wie genau man den Stoff betrachtet, kann er als einphasig oder
mehrphasig betrachtet werden. Dabei ist die betrachtete Längenskala
relevant, wie in den folgenden beiden Beispielen gezeigt wird:
Homogenität
Wenn zwei oder mehr Phasen nebeneinander vorliegen, bilden sich
Phasengrenzflächen, an denen sich die Eigenschaften abrupt ändern.
Die Phasengrenzflächen zwischen unterschiedlichen Phasen sind ein
spannendes Forschungsgebiet, da hier zum Beispiel chemische
Reaktionen ablaufen können oder sich die Eigenschaften des Stoffes im
Vergleich zum Inneren der Phase verändern.Verhalten
Eine weitere Möglichkeit ist zum Beispiel der
Zerfall einer Phase in mehrere Phasen, eine Entmischung.
Ein Beispiel dafür ist saure Milch: die frühere Phase Milch ist nun zerfallen in die Phase "wässrige Flüssigkeit" und die Phase "weißer Niederschlag", ausgelöst durch den steigenden pH-Wert.Schwierigkeit des Homogenitäts-Begriffs
In gewissem Umfang dürfen auch Inhomogenitäten auftreten: So sind
beispielsweise die minimalen Unterschiede in Gasen aufgrund der der
Gravitation (Konzentrationsgradient, Schweredruck) oder
die leichte Änderung der Zusammensetzung von Kristallen an ihren
Oberflächen möglich. Dabei ist die Einführung einer neuen Phase nicht
gerechtfertigt, da die Eigenschaften sich nicht abrupt sondern
kontinuierlich verändern und daher keine Grenzfläche existiert.