Was ist ein Phasendiagramm?
Der Zustand eines Stoffes hängt nicht nur von der Temperatur ab, sondern auch vom Druck. Ein Phasendiagramm zeigt beide Einflüsse in einem Graphen. Die waagerechte Achse ist die Temperatur T, die senkrechte Achse der Druck P. Jeder Punkt im Diagramm steht für bestimmte Bedingungen.
| Teil des Diagramms | Was er zeigt |
|---|---|
| Die drei Bereiche: fest, flüssig und gasförmig | Unter diesen Bedingungen liegt der Stoff in einem Zustand vor |
| Die Linien zwischen den Bereichen | Zwei Zustände bestehen nebeneinander: Schmelz-, Siede- und Sublimationskurve |
| Der Tripelpunkt | Alle drei Zustände bestehen nebeneinander |
Bei Drücken unter dem Tripelpunkt kann ein Stoff nicht flüssig sein. Bei einem solchen Druck wird ein Feststoff beim Erhitzen direkt zu Gas. Das nennt man Sublimation. Der Tripelpunkt von Wasser liegt bei etwa 0.01 °C und 0.6 kPa.
Bewege den Punkt durch das Diagramm
Erhitze und komprimiere einen Stoff und sieh, ob er in den festen, flüssigen oder gasförmigen Bereich kommt. Dieser Simulator gehört zum vollen Zugang. Der Download ist kostenlos, und 2 Kapitel und 5 Simulatoren sind ohne Anmeldung freigeschaltet.
Wie benutzt du den Simulator?
- Wähle in der unteren Reihe einen Stoff: Neon, Argon, Sauerstoff oder Wasser.
- Bewege den linken Schieberegler vom Symbol ❄ in Richtung des Symbols 🔥, um den Stoff zu erhitzen. Der Punkt im Diagramm wandert nach rechts.
- Ändere mit dem Schieberegler Pumpe den Druck. Der Punkt wandert nach oben oder unten.
- Lies den Zustand des Stoffes, Temp. und Druck im rechten Feld ab.
- Im Behälter links bewegen sich die Teilchen passend zum neuen Zustand.
Aufgaben für den Simulator
- Erhitze den Stoff vom Startzustand aus, ohne etwas anderes zu ändern. Antwort: Der Punkt wandert nach rechts und durchquert nacheinander den festen, den flüssigen und den gasförmigen Bereich.
- Bewege den Schieberegler Pumpe nach links, bis der Punkt etwas tiefer liegt als der kleine schwarze Punkt. Erhitze den Stoff jetzt. Antwort: Der Punkt läuft unter dem Tripelpunkt vorbei, und der Stoff wird direkt zu Gas, ohne flüssig zu werden.
- Bewege den Punkt in den gasförmigen Bereich, rechts vom flüssigen Bereich, und erhöhe den Druck. Antwort: Der Punkt wandert nach oben in den flüssigen Bereich. Du hast ein Gas durch Zusammendrücken verflüssigt.
- Erhitze den Stoff so stark wie möglich und stelle Pumpe auf das Maximum. Antwort: Der Stoff bleibt ein Gas. Oberhalb der kritischen Temperatur kannst du ein Gas nicht allein durch Zusammendrücken verflüssigen.
Beispiele für Phasendiagramme aus dem Alltag
- Sieden in großer Höhe. In großer Höhe ist der Luftdruck niedrig, deshalb siedet Wasser, bevor es 100 °C erreicht. Auch in Ulaanbaatar siedet Wasser bei einer Temperatur unter 100 °C.
- Trockeneis. Der Tripelpunkt von CO2 liegt bei einem Druck über 1 atm. Bei Normaldruck schmilzt Trockeneis deshalb nicht, sondern wird direkt zu Gas.
- Gefrorene Wäsche. Kleidung, die im Winter draußen hängt, gefriert und trocknet dann, ohne aufzutauen. Das ist die Sublimation von Eis.
- Gasflaschen. Propan und Butan sind unter normalen Bedingungen Gase, in einer Flasche sind sie aber unter hohem Druck flüssig.
Worauf du beim Lesen des Diagramms im Simulator achten solltest
Das Diagramm im Simulator ist ein allgemeines Schema, das für alle Stoffe gleich ist.
- Wenn du den Stoff wechselst, ändert sich das Diagramm nicht. Nur die Zahl auf dem Thermometer und das Aussehen der Teilchen ändern sich.
- Die Lage der Linien passt nicht genau zur Zahl auf dem Thermometer. Zum Beispiel zeigt der Simulator Wasser bei 134 kPa und 300 K als Feststoff, in Wirklichkeit ist es flüssig. Genaue Werte findest du in der Anleitung zu Schmelz- und Siedepunkten.
- Die echte Schmelzkurve von Wasser neigt sich nach links: Wenn der Druck steigt, schmilzt Eis bei einer etwas niedrigeren Temperatur. Die Linie im Simulator neigt sich nach rechts, wie bei den meisten Stoffen.
