Warum erwärmt sich materie wenn man sie verdichtet

Im Alltag begegnet Dir Wasser in unterschiedlichen Formen: zu Eis gefroren, als Flüssigkeit oder als Wasserdampf. Je nach Temperatur nimmt es einen dieser sogenannten Aggregatzustände ein.

Doch was genau ist eigentlich ein Aggregatzustand und wie sieht das Ganze im Teilchenmodell aus?

Aggregatzustand Definition

Genau wie Wasser, so können auch andere Stoffe in unterschiedlichen Zuständen vorliegen. Zum Beispiel wird auch Stein bei hohen Temperaturen und Druck flüssig, zum Beispiel im Inneren des Erdmantels. Du bezeichnest dies dann als Magma oder Lava.

Obwohl es sich weiterhin um denselben Stoff handelt, besitzt dieser nun eine andere Erscheinungsform sowie andere Eigenschaften. Er befindet sich in einem anderen Aggregatzustand.

Ein Aggregatzustand bezeichnet die unterschiedlichen Formen und physikalischen Eigenschaften, die ein Stoff unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen besitzt. Du sprichst auch von Erscheinungsformen, Phasen oder Zuständen der Materie.

Die Erscheinungsform eines Stoffes hängt also mit seiner Temperatur zusammen und dem Druck, den Du auf ihn ausübst. Doch was genau bewirkt nun die Erhöhung der Temperatur in einem Stoff, sodass dieser seine Form ändert?

Diese Frage kannst Du am besten mit dem sogenannten Stoffteilchenmodell der Materie beantworten.

Aggregatzustand Teilchenmodell

Ein physikalisches Modell ist eine vereinfachte Abbildung der Realität. In ihm werden oftmals komplexe Phänomene der Physik auf ihre wichtigsten Eigenschaften reduziert. Weniger wichtige Details werden ausgelassen, um besser mit dem Modell arbeiten zu können.

Materie besteht aus Atomen, die aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut sind. Protonen und Neutronen setzten sich wiederum aus Quarks zusammen. Um manche Phänomene, wie die Aggregatzustände, zu erklären, reicht es allerdings aus, sich auf die Wechselwirkungen zwischen den Atomen zu beschränken und ihre Bausteine außer Acht zu lassen.

Das Stoffteilchenmodell ist eine vereinfachte Darstellung über den Aufbau der Materie. Dabei werden Atome und Moleküle eines Stoffes vereinfacht auf kleine, einfarbige Formen (z.B. Kreise, Dreiecke, Quadrate) reduziert. Alle Atome oder Moleküle desselben Stoffes besitzen die gleiche Form und Farbe.

Diese Teilchen interagieren (wechselwirken) miteinander: sie ziehen sich an, stoßen sich ab und bilden Bindungen zwischen einander aus. Die Stärke dieser Bindungen zwischen den Teilchen bestimmt die Form und Stabilität eines Stoffes.

Im Teilchenmodell unterscheidest Du zwischen homogenen und heterogenen Stoffen. Homogene Stoffe bestehen aus einem Element, während es sich bei heterogenen Stoffen um ein Gemisch von zwei oder mehr Elementen handelt. Wie Du diese darstellen kannst, zeigt Dir die Abbildung 1.

Aus diesen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen ergeben sich die spezifischen Eigenschaften eines Stoffes, das bezeichnest Du als Emergenz-Phänomen. Temperatur ist ein Beispiel für Emergenz.

Möchtest Du die Temperatur eines Stoffes erhöhen, so führst Du ihm Wärme zu. Wärme ist eine Form der Energie, die von den Teilchen des Stoffes teilweise absorbiert wird. Dadurch erhöht sich ihre Energie.

Temperatur ist ein Maß für die mittlere Energie der Teilchen in einem Stoff. Je größer die Energie der Teilchen ist, desto höher ist auch die Temperatur des Stoffes.

Die Teilchen in einem Stoff haben alle leicht unterschiedliche Energien, deshalb bestimmst Du für die Temperatur den Mittelwert dieser Energien.

Die hohe Energie der Teilchen stammt zu einem großen Teil aus ihrer Bewegungsenergie (kinetischen Energie). Die Teilchen in einem heißen Stoff haben also auch eine hohe kinetische Energie und bewegen sich dadurch schneller.

Mehr Informationen dazu findest Du in der Erklärung zur kinetischen Gastheorie.

Die mittlere kinetische Energie (Temperatur) und die Bindungen bestimmen, wie fest ein Stoff ist. Je stärker die Bindungen und je niedriger die mittlere kinetische Energie, desto fester ein Stoff.

Aggregatzustände Physik

In der Physik unterscheidest Du viele verschiedene Zustände der Materie. All diese Aggregatzustände sind durch die ähnlichen physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe unter bestimmten Temperatur- und Druckverhältnissen definiert.

Die vier fundamentalen Aggregatzustände heißen fest, flüssig, gasförmig und Plasma.

Andere Phasen der Materie sind zum Beispiel Suprafluide oder Bose-Einstein-Kondensate. Diese seltenen Zustände der Materie treten nur unter speziellen Umständen und Stoffen auf.

Aggregatzustand Fest

Nimmst Du etwas Eis aus dem Gefrierschrank, fallen Dir sofort unterschiedliche Eigenschaften auf. Zunächst einmal besitzt Eis – im Gegensatz zu Wasser – eine feste Form. Dies kannst Du auf die Teilchenstruktur zurückführen.

In einem Feststoff sind die Moleküle sehr dicht gepackt. Durch die kleinen Abstände zwischen ihnen können sich besonders starke Bindungen herausbilden. Diese verleihen dem Stoff eine feste Struktur und Form. Durch die hohe Dichte lassen sich Feststoffe nicht oder nur sehr wenig komprimieren (zusammenpressen/verdichten).

Dies gilt für die meisten Feststoffe. Nur Wasser bildet hier eine Ausnahme, im festen Zustand hat es nämlich eine geringere Dichte als im flüssigen. Dies bezeichnest Du als Dichteanomalie des Wassers.

Auf der folgenden Abbildung siehst Du den Aufbau eines Feststoffes im Teilchenmodell.

Kennzeichnend für Eis ist zudem seine niedrige Temperatur, die Teilchen haben also eine geringe Energie.

In einem Feststoff besitzen die Atome und Moleküle einen festen Platz. Sie bewegen sich also nicht frei umher, sondern schwingen lediglich um ihre Ruhelage. Das kannst Du Dir im Teilchenmodell ein wenig wie vibrierende Kugeln in einem Gitter vorstellen (Abbildung 2).

Im festen Aggregatzustand haben die Teilchen geringe Abstände und üben starke Anziehungskräfte aufeinander aus. Aufgrund ihrer niedrigen Energie besitzen sie einen festen Platz und schwingen um ihre Ruhelage. Festkörper besitzen eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen, sie sind gar nicht oder nur schwer komprimierbar.

Zwischen den Teilchen können sich unterschiedlich starke Bindungen formen, zum Beispiel Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte oder Ionenbindungen. Mehr zu den einzelnen Verbindungen kannst Du in den gleichnamigen Erklärungen lesen.

Während Feststoffe unter Druck ihr Volumen beibehalten, so kannst Du dieses durch die Temperatur beeinflussen. Viele Feststoffe dehnen sich unter Wärme aus und ziehen sich unter Kälte zusammen.

Bei der Konstruktion von Brücken werden sogenannte Dehnungsfugen eingebaut, da sich das Material (meist Stahl) bei höheren Temperaturen im Sommer ausdehnt und im Winter zusammenschrumpft. Ohne diese Dehnungsfugen wären Brücken bei schwankenden Temperaturen instabil.

Eis ist übrigens eine Ausnahme und unterliegt nicht der Wärmeausdehnung. Eis beginnt bei höheren Temperaturen zu schmelzen, ohne sich vorher auszudehnen. Dies bezeichnest Du auch als Anomalie des Wassers.

Allgemein unterscheidest Du zwei Arten von Feststoffen: kristalline und amorphe Feststoffe.

Feststoff Arten

Eis gehört zu den kristallinen Feststoffen, genauso wie Diamanten, Salz und verschiedene Kristall- und Metallarten. Ihre Teilchen bilden regelmäßige Gitterstrukturen aus. Du erkennst diese Art der Feststoffe anhand ihrer oftmals geometrischen Form, die entweder aus einem großen Kristall (Einkristall), z. B. Diamant, oder aus einer Zusammensetzung vieler kleiner Kristalle (Polykristalle) bestehen, z.B. Eis.

Amorphe Feststoffe bilden dagegen keine regelmäßigen Gitterstrukturen aus und besitzen deshalb oft eine geringere Dichte als kristalline Feststoffe. Glas ist beispielsweise amorph. Diese Art der Feststoffe lassen sich zum Beispiel durch schnelles abkühlen herstellen, da sich dabei die Teilchen nicht regelmäßig anordnen können.

Aufgrund der Anordnung ihrer Teilchen unterscheidest Du zwei Arten von Feststoffen. Kristalline Feststoffe bilden regelmäßige Gitterstrukturen aus. In amorphen Feststoffen sind die Teilchen dagegen ungeordnet.

Den Unterschied zwischen den beiden Arten siehst Du auch auf Abbildung 3. Je nach Anordnung der Teilchen und der Stärke ihrer Verbindungen können Feststoffe unterschiedliche Eigenschaften besitzen.

Feststoffe Eigenschaften

Feststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein festes Volumen besitzen, selbst wenn sie unter starker Krafteinwirkung stehen. Dennoch können sie unter Druck ihre Form verändern. Übst Du zum Beispiel etwas Druck auf einen Eiswürfel aus, so zerbricht dieser in mehrere kleine Teile. Solche Stoffe, die unter Druck brechen, bezeichnest Du als spröde.

Verformt sich dagegen ein Stoff unter Zugspannung, nennst Du ihn duktil. Die Teilchen in duktilen Feststoffen können sich bis zu einem gewissen Grad umordnen, sodass der Stoff zusammenhält. Allerdings kannst Du diese Stoffe nicht wie einen Kaugummi ewig auseinanderziehen, ab einer gewissen Spannung brechen auch duktile Stoffe.

Aggregatzustand Flüssig

Gibst Du nun den Eiswürfel in einen Topf und schaltest den Herd an, kannst Du beobachten, wie er langsam in eine flüssige Form – Wasser – übergeht. Durch die Zufuhr von Wärmeenergie lockern sich die Bindungen und die Teilchen können sich freier und schneller bewegen. Das Teilchenmodell von Wasser im flüssigen Zustand siehst Du auf der folgenden Abbildung.

Die Abstände zwischen den Teilchen in einer Flüssigkeit sind größer als in einem Feststoff. Dennoch werden sie weiterhin durch Bindungen zusammengehalten, weshalb sich auch Flüssigkeiten nur wenig komprimieren lassen. Im Gegensatz zu Feststoffen können Flüssigkeiten ihre Form ändern und passen sich ihrem Behälter an.

Flüssigkeiten besitzen ein gewisses Volumen, passen sich in ihrer Form jedoch ihrem Behälter an. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind geringer als in Feststoffen, wodurch ihr Abstand größer ist und sie sich freier bewegen können. Je höher die Energie der Teilchen, desto schneller ihre Bewegungen.

Eine wichtige Eigenschaft von Flüssigkeiten ist ihre Viskosität. Die Viskosität beschreibt, wie zähflüssig ein Stoff ist. Wasser hat zum Beispiel eine geringere Viskosität als Honig.

Wie viskos ein Stoff ist, hängt von der Stärke der Bindungen zwischen seinen Teilchen ab. Je stärker diese Bindungen in einer Flüssigkeit, desto viskoser ist sie. Von der Viskosität hängt auch ab, wie schnell eine Flüssigkeit fließt und sich in ihrer Form einem Behälter anpasst.

Aggregatzustand Gasförmig

Erhitzt Du nun das Wasser weiter, beginnt es ab etwa 100 °C zu kochen und schließlich zu verdampfen. Durch die hohe Menge an zugeführter Energie haben die Teilchen in einem Gas eine hohe Geschwindigkeit und werden nicht mehr durch Bindungen zusammengehalten.

Durch die freie Bewegung der Teilchen füllen Gase den gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus.

Die Teilchen in einem Gas besitzen große Abstände zwischen einander, wodurch Gase sich leicht komprimieren lassen. Gase besitzen also weder eine feste Form, noch ein festes Volumen.

Im gasförmigen Aggregatzustand bewegen sich die Teilchen aufgrund ihrer hohen Energie sehr schnell, sie sind weit voneinander entfernt und besitzen keine (oder nur sehr schwache) Bindungen untereinander. Deshalb füllen Gase den gesamten zur Verfügung stehenden Raum und sind komprimierbar. Sie haben weder eine feste Form noch ein bestimmtes Volumen.

Außerdem können Gase sich durch eine Erhöhung der Temperatur weiter ausdehnen, solange sie nicht durch einen Behälter begrenzt werden.

Für ein einfaches Experiment zur Wärmeausdehnung bei Gasen brauchst Du nichts weiter als eine Kerze, ein (Glas-)Gefäß und einen Luftballon. Wie auf der folgenden Abbildung zu sehen ist, zündest Du die Kerze an und gibst sie in den Glasbehälter:

Anschließend stülpst Du den Luftballon über die Öffnung des Gefäßes. Nach einiger Zeit wird sich der Luftballon leicht aufblasen, wie rechts auf der obigen Abbildung. Was ist passiert?

Durch die Kerze wird die Luft in dem Glas erwärmt. Luft ist ein Gas, das sich durch Zufuhr von Wärme ausdehnt. Da die Luft durch das Glas begrenzt ist, weicht sie in den Ballon aus und füllt diesen auf.

Der Zusammenhang zwischen Temperatur, Druck und Volumen in Gasen werden durch die drei Gasgesetze beschrieben. Mehr zu den Gasgesetzen findest Du in den entsprechenden Erklärungen.

Die drei Gasgesetze heißen: Gesetz von Boyle-Mariotte, Gesetz von Gay-Lussac und Gesetz von Amontons.

Umgekehrt gilt natürlich auch, dass sich Gase bei niedrigeren Temperaturen zusammenziehen.

Aggregatzustand Tabelle

Die folgende Tabelle fasst Dir die wichtigsten Eigenschaften der drei klassischen Aggregatzustände zusammen und vergleicht diese.

Im Alltag begegnen Dir vor allem diese drei Aggregatzustände. Allerdings kann Materie noch weitere Zustände einnehmen. Würdest Du den Wasserdampf immer weiter erhitzen, bis die Temperaturen mehrere tausend Grad erreichen, könnte die Materie in den vierten Aggregatzustand übergehen: das Plasma.

Aggregatzustand Plasma

Etwa 99% der Materie im Universum liegt im Plasmazustand vor und, auch wenn Du im Alltag kaum mit diesem Aggregatzustand in Berührung kommst, wäre das Leben auf der Erde ohne die Existenz von Plasma nicht möglich. Doch was genau passiert mit Materie auf Teilchenebene im Plasmazustand?

Hier stößt das Teilchenmodell etwas an seine Grenzen. Um den Plasmazustand zu erklären, brauchst Du Kenntnisse über den Aufbau eines Atoms. Mehr dazu findest Du in der Vertiefung und in der Erklärung zum Bohrschen Atommodell.

Atome bestehen aus einem Kern aus positiv geladenen Protonen und Neutronen ohne eine Ladung. Nach dem Bohrschen Atommodell, das Du auf der folgenden Abbildung siehst, kreisen negativ geladene Elektronen auf festgelegten Bahnen (auch Schalen) um diesen Kern. Die Anzahl der Elektronen und Protonen ist gleich groß, sodass sich ihre Ladungen ausgleichen, ein Atom besitzt also eine neutrale Ladung.

Elektronen auf diesen Bahnen besitzen eine gewisse Energie (Energieniveau) und je weiter die Schale von dem Kern entfernt ist, desto mehr Energie haben die Elektronen. Um zwischen den Schalen zu wechseln, müssen Elektronen Energie aufnehmen oder abgeben. Ist die aufgenommene Energie groß genug, können Elektronen sogar das Atom verlassen. Die dafür nötige Energie bezeichnest Du als Ionisierungsenergie.

Geht Materie in den gasförmigen Zustand über, so lösen sich die Bindungen zwischen den Atomen. Wird das Gas nun noch weiter erhitzt, so erlangen die Elektronen in der Atomhülle genügend Energie, um das Atom zu verlassen. Zurück bleiben sogenannte Ionen, also Atome, bei denen die Anzahl an Protonen und Elektronen nicht übereinstimmt.

Durch die Anwesenheit von geladenen Teilchen, ist Plasma elektrisch leitfähig und interagiert mit magnetischen und elektrischen Feldern.

Plasma ist der vierte Aggregatzustand. In diesem Zustand liegt Materie als ein Gemisch aus positiv, negativ und neutral geladenen Teilchen vor, das elektrisch leitfähig ist.

Du bezeichnest ein Plasma als vollständig ionisiert, wenn es nur aus geladenen Teilchen besteht. Die meisten Plasma sind allerdings eine Mischung aus geladenen und ungeladenen Teilchen und/oder Molekülen. Die speziellen Eigenschaften eines Plasmas hängen von dem Anteil der geladenen Teilchen ab.

Im Inneren der Sonne sind die Temperaturen und der Druck so hoch, dass ein Großteil der Materie im vierten Aggregatzustand vorliegt. Dadurch wird Kernfusion möglich, der physikalische Prozess, bei dem das Licht der Sonne entsteht. Dadurch wird das Leben auf der Erde erst möglich.

Alles Wichtige zum Thema Kernfusion findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

Das Plasma der Sonne sorgt übrigens auch für die Polarlichter und Plasma kann auch bei starken Gewittern in Blitzen entstehen.

Aggregatzustand Beispiele

Neben den vier fundamentalen Zuständen der Materie: fest, flüssig, gasförmig und Plasma, haben Physiker*innen in den letzten Jahren immer mehr sogenannte exotische Zustände der Materie gefunden.

Diese Zustände treten nur unter ganz bestimmten – meist extremen – Bedingungen auf und sind durch das seltsame Verhalten der Materie in diesem Zustand gekennzeichnet.

Supraleiter

Einige Materialien, zum Beispiel Metalle wie Quecksilber, werden zu sogenannten Supraleitern, wenn Du sie auf sehr niedrige Temperaturen (unter -200 °C) kühlst. Supraleiter besitzen einen sehr geringen elektrischen Widerstand und bilden enorm starke magnetische Felder aus.

Auf der obigen Abbildung siehst Du, wie ein Magnet vom Magnetfeld des darunter liegenden Supraleiters umschlossen wird und dadurch zu schweben scheint. Supraleiter werden unter anderem in MRT-Scannern, Teilchenbeschleunigern oder Magnetschwebebahnen verwendet.

Suprafluide

Einige Stoffe können bei sehr niedrigen Temperaturen zu Suprafluiden werden. In diesem Zustand verhält sich Materie wie eine Flüssigkeit ohne Viskosität.

Helium, das meistens als Gas vorliegt, wird zum Beispiel bei Temperaturen von -269 °C flüssig und bei -271 °C erlangt es Suprafluidität. Ein bekanntes Phänomen von dieser Art von Materie ist Helium-II im suprafluiden Zustand, das als dünner Film an den Seiten eines Gefäßes hoch.

Bose-Einstein-Kondensate

Bringst Du Materie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, stellt sich ein Zustand ein, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist. Dabei besitzen alle Teilchen in dem Stoff denselben quantenmechanischen Zustand. Das führt dazu, dass sie sich nicht mehr wie individuelle Teilchen verhalten, sondern als wären sie ein einziges Teilchen.

Aggregatzustandsänderung

Obwohl die meisten Stoffe die vier fundamentalen Aggregatzustände einnehmen können, so unterscheiden sich die Temperaturen, bei denen die verschiedenen Stoffe ihren Zustand wechseln, teilweise stark. Das siehst Du zum Beispiel an der folgenden Tabelle. Sie zeigt Dir, bei welcher Temperatur die verschiedenen Stoffe flüssig werden, der sogenannte Schmelzpunkt.

Genauso verhält es sich auch bei den anderen Aggregatzuständen, der Siedepunkt gibt Dir an, ab welcher Temperatur ein Stoff in den gasförmigen Zustand übergeht.

Den Wechsel zwischen den Aggregatzuständen bezeichnest Du als Phasenübergang. Für jeden Phasenübergang gibt es eine bestimmte Bezeichnung, die Du auf der folgenden Abbildung sehen kannst.

Um herauszufinden, wie ein Phasenübergang heißt, folgst Du einfach dem Pfeil vom ursprünglichen Aggregatzustand eines Stoffes zum neuen Aggregatzustand.

Erwärmst Du einen Eiswürfel, sodass er von seinem festen in den flüssigen Zustand übergehst, bezeichnest Du diesen Prozess als schmelzen. Kochst Du das Wasser nun auf, verdampft es und geht in den gasförmigen Zustand über. Den Phasenübergang von Gas zu Plasma nennst Du ionisieren (Ionisation).

Der Prozess kann natürlich auch in die andere Richtung ablaufen: Plasma wird durch Rekombination zu Gas, Gas wird durch Kondensation flüssig und schließlich fest durch Gefrieren.

In manchen Fällen kann ein Stoff direkt vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen und andersherum. Diesen Prozess bezeichnest Du als Sublimation (fest zu gasförmig) und als Deposition (gasförmig zu fest).

Oftmals wird der Phasenübergang von gasförmig zu fest auch als Resublimation bezeichnet.

Diese Übergänge kannst Du in einem Phasendiagramm darstellen.

Aggregatzustand Phasendiagramm

Der Wechsel zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen erfolgt bei jedem Stoff unterschiedlich und ist abhängig von seiner Temperatur und dem auf ihn ausgeübten Druck. Für jeden Stoff kannst Du dazu ein Phasendiagramm aufstellen.

Ein Phasendiagramm (auch Zustandsdiagramm) zeigt Dir die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen eines Stoffes in Abhängigkeit von Druck und Temperatur.

Mehr zum Phasendiagramm erfährst Du in der entsprechenden Erklärung.

Ein Phasendiagramm besteht aus zwei Achsen. Auf der y-Achse trägst Du den Druck ein, dieser besitzt die Einheit Hectopascal (hPa). Auf der x-Achse steht die Temperatur in der Einheit Kelvin (K). Wie Du auf dem folgenden Phasendiagramm sehen kannst, werden verschiedene Kurven zu einem Graphen zusammengeschlossen.

Die erste Kurve im Diagramm ist die sogenannte Sublimationskurve. Sie markiert den Übergang zwischen dem festen und dem gasförmigen Zustand. Oberhalb der Kurve liegt der Stoff im festen Zustand vor, darunter im gasförmigen Zustand. Die Sublimationskurve endet im Tripelpunkt.

Am Tripelpunkt eines Stoffes befinden sich die drei Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig im thermodynamischen Gleichgewicht. Bei dieser Kombination aus Temperatur und Druck kann der Stoff in zwei oder mehr der drei klassischen Aggregatzuständen vorliegen.

Genau wie der Siede- und Schmelzpunkt, ist auch der Tripelpunkt von Stoff zu Stoff unterschiedlich.

Vom Tripelpunkt gehen zwei weitere Linien (die Schmelz- und die Siedekurve) aus, die das Phasendiagramm in drei Sektoren teilen. Die Schmelzkurve markiert den Übergang zwischen festem und flüssigem Zustand eines Stoffes, während die Siedekurve den Übergang zwischen gasförmigem und flüssigem Zustand bildet.

Das Phasendiagramm ist eine Erinnerung, dass bei den Aggregatzuständen auch der Druck eine wesentliche Rolle spielt. Im Alltag begegnen Dir allerdings eher schwankende Temperaturen bei einem konstanten Druck. Dieser Druck liegt (je nach Höhenlage) bei etwa 1013 hPa und wird von der Atmosphäre ausgeübt.

Warum entsteht beim Verdichten Wärme?

Warum wird Luft heiß wenn sie komprimiert wird?

Warum entsteht durch Druck Wärme?

Was ist der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur?