Aggregatzustände

Vorwissen: Teilchenmodell. Was unterscheidet einen festen, flüssigen und gasförmigen Stoff auf der Teilchenebene? Und was bewirken Temperatur und Druck?

Beobachten und deuten

Stelle 20 °C und 1 bar ein. Beschreibe Anordnung, Abstand und Bewegung der Teilchen und fülle die Tabelle aus. Vergleiche danach mit „Antworten zeigen“.
Kühle langsam auf −20 °C ab. Was passiert mit den Teilchen beim Erstarren?
Vergleiche die beiden Zylinder: Was sieht man auf der Stoffebene, und wie erklärt die Teilchenebene, was man dort sieht?
Erwärme auf 120 °C. Was passiert beim Sieden? Wie verhält sich der Stempel?
Schalte „Geschwindigkeit farbig zeigen“ ein. Wie hängt die Temperatur mit der Bewegung der Teilchen zusammen?
Stelle 150 °C ein und erhöhe den Druck langsam von 1 bar auf 10 bar. Was beobachtest du? Erkläre mit dem Teilchenmodell.
Warum lässt sich ein Gas zusammendrücken, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff aber kaum?
Auf der Zugspitze beträgt der Luftdruck etwa 0,7 bar. Bei welcher Temperatur siedet Wasser dort? Probiere es mit dem Druckregler aus.
Wähle Butan. Bei 20 °C und 1 bar ist Butan gasförmig. Erhöhe den Druck langsam. Ab welchem Druck wird Butan flüssig? Erkläre, warum ein Feuerzeug flüssiges Butan enthält, obwohl Butan bei Raumtemperatur ein Gas ist.

Stoff

Temperatur 20 °C

−50 °C250 °C

Druck 1,0 bar

0,1 bar20 bar

Geschwindigkeit farbig zeigen

Beobachtung auf der Teilchenebene

flüssig

Anordnung
Abstand
Bewegung
Form und Volumen

Antworten zeigen

Zahlen im Hintergrund und Grenzen des Modells

Modellstoff: 110 Teilchen in einer Ebene (2D). Sie ziehen sich auf kurze Entfernung an und stoßen sich bei Berührung ab (Morse-Potenzial). Ihre Bewegung wird Schritt für Schritt berechnet; fest, flüssig und gasförmig werden nicht vorgegeben, sondern entstehen aus dieser Bewegung. Angezeigt wird der Zustand, den das Programm an Anordnung und Beweglichkeit der Teilchen erkennt.
Temperatur und Druck sind so umgerechnet, dass der Modellstoff wie Wasser bei 0 °C schmilzt und beim eingestellten Druck dort siedet, wo Wasser siedet (berechnet mit der Clausius-Clapeyron-Gleichung und der Verdampfungsenthalpie 40,65 kJ/mol: 0,1 bar etwa 46 °C, 0,7 bar etwa 90 °C, 1 bar 100 °C, 10 bar etwa 180 °C, 20 bar etwa 212 °C). Der Modellstoff ist aber kein Wasser: Die Besonderheiten von Wasser, etwa dass Eis auf Wasser schwimmt, zeigt er nicht. Für Butan gilt dasselbe mit Schmelztemperatur −138 °C, Siedetemperatur −0,5 °C bei 1 bar und Verdampfungsenthalpie 22,4 kJ/mol: Bei 20 °C wird Butan ab etwa 2 bar flüssig.
Ein echtes Gas braucht bei 1 bar etwa tausendmal so viel Platz wie die Flüssigkeit. So hoch ist der Zylinder nicht: Oben hat er einen Anschlag. Liegt der Stempel am Anschlag, ist das Gas eingesperrt.
Stoffebene: Der linke Zylinder wird aus den Teilchen im rechten berechnet. Teilchen mit mehreren nahen Nachbarn zählen zum Feststoff (fast weiß) oder zur Flüssigkeit (hellblau), Teilchen über der gestrichelten Oberfläche zum Gas (durchscheinend schieferblau, umso kräftiger, je dichter das Gas). Gas erscheint erst ab 8 Teilchen über der Oberfläche: Einzelne verdampfte Teilchen sieht man in Wirklichkeit auch nicht. Die Oberfläche ist immer eingezeichnet, bis mehr als 60 % der Teilchen gasförmig sind; dann gibt es keine Flüssigkeit mehr, die eine Oberfläche hätte. Ein echter Stoff hat unvorstellbar viele Teilchen; deshalb sieht man auf der Stoffebene keine einzelnen Teilchen.
Die Schwerkraft ist im Modell stark vergrößert, damit Flüssigkeit und Feststoff am Boden liegen. Die Teilchen sind stark vergrößert und ihre Bewegung stark verlangsamt.
Die Temperatur wird direkt eingestellt (Thermostat). Deshalb sieht man keine Haltepunkte: In Wirklichkeit bleibt die Temperatur beim Schmelzen und Sieden eine Weile gleich, weil die zugeführte Wärme die Teilchen voneinander trennt.
Schmelzen, Erstarren, Verdampfen und Kondensieren brauchen im Modell ein paar Sekunden. Kurz nach einer Änderung kann deshalb noch ein Gemisch zu sehen sein.
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.