Phase (Thermodynamik)

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Phasenübergänge

In der Physikalischen Chemie, Thermodynamik und Materialwissenschaft ist die Phase die Gesamtheit der homogenen Teile eines thermodynamischen Systems, auf die keine äußeren Kräfte wirken, die also auch physikalisch homogen sind. Gekennzeichnet sind Phasen immer durch einen Ordnungsparameter, der in diesem Gebiet einen innerhalb einer Größenordnung konstanten Wert besitzt.

Zu diesen Eigenschaften der Materie gehören insbesondere die Dichte, die chemische Zusammensetzung und die Ordnung. Wichtige Phasen sind die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig, die sich in der Dichte und Ordnung unterscheiden.

Homogenität

Viele Stoffe scheinen auf den ersten Blick eine Phase zu sein, sind aber bei genauerer Betrachtung heterogen zusammengesetzt und bestehen aus mehreren Phasen.

• Ein Beispiel dafür ist Milch, die hauptsächlich aus einer Emulsion kleiner Fett-Tröpfchen in Wasser besteht. Sie stellt also ein zweiphasiges System mit einer Wasser- und einer Fettphase dar.
• Ein anderes Beispiel ist wasserhaltiger Dampf, der aus zwei Phasen besteht: (1) siedende Flüssigkeit und (2) trockenem gesättigten Dampf.

Wenn zwei oder mehr Phasen nebeneinander vorliegen, bilden sich Phasengrenzflächen, an denen sich die Eigenschaften und damit der Ordnungsparameter 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 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.
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 sinkenden pH-Wert.

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 von Wasser.

Schwierigkeit des Homogenitäts-Begriffs

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:

• Mizellen sind zwar extrem winzig, sie bestehen nur aus wenigen Molekülen, aber dennoch können sie als kondensierte Phase zu den Einzelmolekülen aufgefasst werden.

In gewissem Umfang dürfen auch Inhomogenitäten auftreten: So sind beispielsweise die minimalen Unterschiede in Gasen aufgrund 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.

Siehe auch

• Homogenes System, Heterogenes System
• Phase (Schwingung)
• Aggregat