Kapitel 6
Die Brücke zwischen Wissenschaft und Weisheit
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(3.8) Aggregatzustände
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Diskussion von "Aggregatzustände"
Durch Anklicken des Links „Aggregatzustand“ wird
deren Definition nach der Lehrmeinung angezeigt. Diese wird nachfolgend nach
dem Universal-Prinzip diskutiert:
Nach der konservativen Physik erhöht sich die potentielle Energie eines
Stoffes beim Übergang vom festen über den flüssigen zum gasförmigen Zustand, da
die Medienteilchen infolge der Anregung Bewegungen mit höherer Amplitude
ausführen. (Definition: „Um den Abstand eines Körpers vom Erdmittelpunkt zu
vergrößern, ihn zu heben, muß Arbeit verrichtet werden. Diese steckt dann in
Form von potentieller Energie im Körper.“)
Das Universal-Prinzip zu "Aggregatzustände"
Nach dem Universal-Prinzip entsteht die potentielle Energie aus dem
Abstand, den ein Körper vom Energieniveau besitzt, das seiner Energiedichte
entspricht. Steigt die Anregung, so erhöht sich die Bewegung des Körpers um
diesen Gleichgewichtszustand innerhalb der Grenzen seines AWF.
Jedes Element und jede Verbindung besitzt einen unterschiedlichen Bedarf an
Energie, um sich gegen das Umfeld in Form seiner AWF abzugrenzen. Diese
entspricht der Enthalpie eines Stoffes. Bei unterschiedlicher
Anregung gestaltet sich auch die Resultierende aus Abstoßungs- und
Anziehungskraft jeweils unterschiedlich. Dies zeigt sich in dem für jeden Stoff
spezifischen Schmelz- und Siedepunkt. Infolge von erhöhter Anregung vergrößert
sich einerseits der Durchmesser der AWF im Bereich III (Bild 69 in Abschnitt 3.7),
und steigt andererseits die Zitterbewegung der Moleküle an. Wird ein bestimmter
Wert der Anregung überschritten, so vergrößert sich der Abstand zwischen den
Teilchen spontan um ein oder mehrere AWF.
Eine
starke Veränderung des Grades der Überlagerung der AWF in Bereich III (Bild 69), also der
zwischenmolekularen Abstände, entspricht einem neuen Aggregatzustand.
Nach dem Universal-Prinzip ist also das Lösen der zwischenmolekularen
Kräfte nicht eine Folge der immer stärker werdenden Zitterbewegung der
Moleküle, sondern eine zwingende Folge der stärkeren Anregung. Je geringer ein
System dagegen angeregt wird, desto mehr steigen die Anziehungskräfte zwischen
den Molekülen. Deren gegenseitiger Abstand verringert sich, da sich immer mehr
AWF überlagern, um Energie einzusparen.
Das Bestreben eines Systems, in einen möglichst enthalpiearmen Zustand
überzugehen, ist nach dem Universal-Prinzip also nichts anderes als die Neigung
der Teilchen, sich bei geringer Anregung zusammenzulagern (Gravitation). Das
Bestreben, die größtmögliche Entropie zu erreichen, entspricht dagegen dem
Drang, bei stärkerer Anregung einen möglichst großen Freiheitsgrad zu erreichen
(Levitation). Beide
Faktoren wirken entgegengesetzt. Es entscheidet die Intensität der Anregung,
welcher Vorgang resultiert.
Temperatur– und Druckveränderungen sind eine Folge der Anregung. Während
eine erhöhte Temperatur durch die Zitterbewegung der Moleküle und deren Reibung
entsteht, wird der Druck durch die Dichte eines Stoffes, also den
zwischenmolekularen Abstand, beeinflußt. Der Zusammenhang zwischen Temperatur-
und Druckveränderung, der für die Ausbildung der reversiblen Aggregatzustände
(AZ) verantwortlich ist, wird nachfolgend am Beispiel Wasser dargestellt (Bild
73).
Bild 73 Phasendiagramm von Wasser
Betrachtet man den Bereich oberhalb der Erdoberfläche, in dem das Wasser
natürlich vorkommt (untere Atmosphäreschichten; Druck: 104 bis
105 Pa, Temperatur: -50 bis +40 °C), so stellt man fest, daß
der gasförmige Zustand darin nicht vorkommt. Bei höheren Temperaturen kann sich
jedoch eine geringe Menge Dampf über der Flüssigkeit bilden. Anhand des
Phasendiagramms werden in der folgenden Tabelle den zwei Aggregatzuständen
„fest“ und „flüssig“ die einzelnen Bereiche von Druck und Temperatur
zugeordnet. Der gasförmige Zustand wird vorerst ausgeklammert, da der
Unterschied zwischen Dampf und Gas nachfolgend erläutert wird.
Energie-
niveau | Intensität der Anregung | Temperatur | Druck | Dichte | Aggregat-
zustand |
| A hoch | fehlend bis gering | niedrig | niedrig | mittel | fest |
| B mittel | hoch | . | . | niedrig | gasförmig |
| C niedrig | mittel | hoch | hoch | hoch | flüssig |
Tabelle Aggregatzustände (AZ) von Wasser
Druck und Temperatur nehmen in den unteren Energieniveaus zu. Die gleiche
Tendenz ergibt sich auch innerhalb eines AWF. Ordnet man die Intensität der
Drücke und Temperaturen aus Tabelle AZ den einzelnen Energieniveaus zu, ergeben
sich folgende Verhältnisse:
Oberes Energieniveau (A): Temperatur und Druck sind niedrig;
nur der feste Zustand kommt vor. Bei Erhöhung der Anregung findet ein
Phasenübergang vom festen in den gasförmigen Zustand statt (Sublimation).
Unteres Energieniveau (C): Temperatur und Druck sind hoch, nur
der flüssige Zustand kommt vor. Bei Erhöhung der Anregung findet ein
Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand statt (Verdampfung).
Die Dichte eines Stoffes, die sich aus den zwischenmolekularen Abständen der
Teilchen ergibt, ist abhängig vom Durchmesser der AWF des Bereichs III (Bild 69) des einzelnen
Teilchens und vom Grad der Überlappung der AWF zwischen den einzelnen Teilchen.
Diskussion des Phasendiagrammes (Bild 73):
1. Bei sehr geringer Anregung liegt Wasser im festen Zustand vor. Steigen
Temperatur und Druck, so wird das Kristallgitter zusammengedrückt und der
Festkörper schmilzt in die flüssige Phase, die sich unterhalb der festen
sammelt, da diese eine höhere Dichte besitzt. Bei starker künstlicher Anregung
(Temperatur bei Atmosphärendruck: 100°C) entsteht gasförmiges Wasser.
Erhitzt man das Wasser auf seinen Siedepunkt, so werden Bedingungen geschaffen,
die im Energieniveau von Wasser (erstes AWF oberhalb der Erdoberfläche) in dem
Maße nicht vorkommen. Die Wassermoleküle werden durch diese isobare
Zustandsänderung künstlich in ein Energieniveau versetzt, welches unterhalb der
Erdoberfläche liegt (Die Temperatur nimmt in den kernnäheren AWF sprunghaft
zu). Es entsteht die gasförmige Phase. Der gasförmige Zustand unterhalb der
Sublimations- bzw. Siedepunktkurve wird hier als (reversibler) Dampf
bezeichnet.
2. Da unsere Atmosphäre jedoch trotz geringerer Temperaturen Wasserdampf
enthält, geht bereits vor dem Siedepunkt ein nicht unerheblicher Teil des
Wassers sowohl vom flüssigen (Verdampfung), als auch vom festen AZ (=
Sublimation) in den gasförmigen Zustand über. Gasförmiges Wasser, wie es in
unserer Atmosphäre unterhalb des kritischen Punktes vorkommt, wird beim
Universal-Prinzip ebenfalls als Dampf* definiert. Um diesen Zustand jedoch von
dem künstlich erzeugten Dampf zu unterscheiden, wird dieser mit einem *
gekennzeichnet. Er entsteht durch Erhöhung der Anregung unter natürlichen
Bedingungen (bei Temperaturen ober-halb der Siedepunktkurve). Die vorher
komprimierten AWF vergrößern ihren Durchmesser auf den maximalen Wert von 1:2,
so daß der Bereich des festen AZ von dem darunter befindlichen flüssigen Wasser
getrennt wird. In der Mitte zwischen den beiden Schichten entsteht durch das
schnelle Aufsteigen der Medienteilchen ein Bereich niedrigen Drucks. Aufgrund
des niedrigen Drucks, der hohen Temperatur und des großen Freiheitsgrades im
mittleren Energieniveau des Wassers, dehnen die Teilchen dort ihre AWF maximal
aus und gehen in den gasförmigen Zustand über.
3. Wenn Druck und Temperatur oberhalb des kritischen Punktes liegen, gibt es
nur Gas. Dieses läßt sich durch weitere Druckerhöhung nicht mehr verflüssigen.
Der gasförmige Zustand oberhalb der kritischen Temperatur wird nach dem
Universal-Prinzip als (irreversibles) Gas bezeichnet. Dieses wird an der
Erdoberfläche ebenfalls künstlich erzeugt und gehört eigentlich einem weit
tieferen, kernnäheren AWF an, in dem diese Bedingungen (höherer Druck und
Temperatur) herrschen. Daher ist es unmöglich dieses Gas in unserem
Energieniveau durch Druckerhöhung zu verflüssigen. Durch den kritischen Punkt
wird mit der Grenze zwischen Dampf und Gas gleichzeitig die Grenze für das AWF
eines beständigen Stoffes markiert.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich nun für das Beispiel Wasser
folgende Gesetzmäßigkeiten ableiten:
- Da Wasser im flüssigen Zustand
nahezu inkompressibel ist und die größte Energiedichte besitzt, wird
daraus gefolgert, daß es hier die AWF mit dem kleinsten Durchmesser
ausbildet. Im gasförmigen Zustand besitzen die Moleküle bei hoher
Temperatur und gleichzeitig niedrigem Druck maximal ausgedehnte AWF, die
zueinander ein Verhältnis von 1:2 aufweisen. Als Festkörper bilden die
Wassermoleküle AWF mit mittleren Durchmessern aus.
- Aufgrund der unterschiedlichen
Größe des AWF und des Grades der Überlagerung der AWF im Bereich III eines
Stoffes (Bild 69) in den einzelnen AZ, ergeben sich für die drei AZ
folgende Energiedichten:
Fest: mittlere Energiedichte (wenig oder keine Anregung, erstarrte
kondensierte Raumgitter)
Gasförmig (Dampf): minimale Energiedichte (maximale Ausdehnung durch
starke Anregung)
Flüssig: maximale Energiedichte (Die Raumgitter sind durch Anregung
zusammengebrochen)
- Die Wassermoleküle mit der
höchsten Energiedichte, also mit flüssigem AZ, befinden sich im
niedrigsten Energieniveau. Die Teilchen des gasförmigen AZ ordnen sich im
mittleren Energieniveau an und die Moleküle mit festen AZ, befinden sich
im höchsten Energieniveau des Gruppenwellenfeldes (GWF), in welchem Wasser
stabil ist (Atmosphäre). In Bild 74 ist
dargestellt, daß jedes AWF aus Gruppenwellenfeldern (GWF) besteht. Die
Bezeichnungen entsprechen denen des Periodensystems der Elemente.
- Bei Anregung expandieren die
Wassermoleküle infolge Erwärmung und steigen aus dem Energieniveau mit der
größten Energiedichte auf. Im mittleren Energieniveau erreichen sie ihre
größte Ausdehnung (geringe Energiedichte) und erstarren im höchsten
Energieniveau durch Abkühlung infolge geringerer Anregung zu Molekülen mit
mittlerer Energiedichte.
- Die drei AZ des Wassers sind
der flüssige (Wasser), der gasförmige (Dampf*) und der feste Zustand
(Eiskristall).
- Die Phasenübergänge
„Verdampfen/ Kondensieren“ (Tabelle AZ: C und B) treten hauptsächlich im
unteren Energieniveau, „Erstarren / Sublimieren“. (Tabelle AZ: A und B)
dagegen treten im oberen Energieniveau auf (Bild 75).
- Bild 74 Lage von Gruppenwellenfeldern (GWF) innerhalb von
Ausgleichswellenfeldern (AWF)
Bild 75: Die Phasenübergänge des Wassers
Dampf* entsteht also durch Sublimation von Feststoffen des höheren
Energieniveaus und durch Verdampfen von Flüssigkeiten des niedrigeren
Energieniveaus.
- Es wird zwischen künstlicher
und natürlicher Anregung unterschieden. Unter künstlicher Anregung wird
eine Temperaturerhöhung oberhalb oder eine Druckverringerung unterhalb des
Bereiches verstanden, der in dem jeweiligen Energieniveau, in dem sich der
Stoff gerade befindet, vorkommt.
Beispiel: Wasser wird in Höhe
der Erdoberfläche isobar auf eine Temperatur von 100 °C erhitzt. Dadurch wird
das Wasser in ein niedrigeres Energieniveau unterhalb der Erdoberfläche
versetzt, in dem höhere Temperaturen herrschen. Da jedoch der in diesem Bereich
viel höhere Druck nicht gegeben ist, entsteht ein reversibler Dampf, der eine
höhere Dichte als der unter natürlichen Bedingungen entstehende Wasserdampf*
aufweist.
- Die Oktavschichten im AWF
verändern ihren Durchmesser je nach Anregung ganz erheblich. Nur im Sommer,
bei starker Anregung, erreichen die übereinandergelagerten AWF zueinander
einen Durchmesser im Verhältnis von 1:2. Bei geringer Sonneneinstrahlung
dagegen, schrumpfen sie auf einen Bruchteil dessen zusammen.
Beispiel: Im Winter bei
Temperaturen unterhalb von 0 °C kommen im ersten GWF, direkt oberhalb der
Erdoberfläche, nur die Aggregatzustände fest (oberes EN, Eisschicht) und
flüssig (unteres Energieniveau) vor. Im Sommer dagegen liegt die Grenze des
ersten GWF bei etwa 12 km. Es entsteht ein großer Bereich von mit Wasser
(Dampf*) angereicherter Atmosphäre.
In den einzelnen Kern- und AWF der Erde sind aufgrund des Zusammenwirkens
von Druck und Temperatur jeweils unterschiedliche Stoffe stabil. Daher stellen
sich bei Anregung in jedem dieser Bereiche (Oktavschichten) die drei
Aggregatzustände (AZ) periodisch wiederkehrend ein.
Nach
dem Universal-Prinzip wird geschlußfolgert, daß für jeden Stoff, der sich in
der Oktavschicht eines AWF befindet, in dem er in den drei Aggregatzustände
stabil ist, dieselben Gesetzmäßigkeiten wie für Wasser im Erd-AWF gelten.
Unser Leben spielt sich im AWF der Erdoberfläche ab. Wasser bildet seine
drei AZ aus, die wir als Wasser, Luftfeuchte bzw. Nebel (Dampf*) und Wolken
(Cirren) kennen. Die Luft besteht zum großen Teil aus Stoffen (Gase, z.B. CO2),
die ihre drei AZ in kernferneren Oktavschichten haben. Der feste Boden, auf dem
wir stehen, gehört zum festen oberen Energieniveau der darunterliegenden
Schicht des Erdmantels.
Ein Festkörper kann seine Dichte bei Veränderungen der Temperatur- und
Druckverhältnisse nur geringfügig verändern, da die Moleküle zueinander im
Kristall definierte Abstände besitzen. Flüssigkeiten passen sich im Gegensatz
dazu sehr flexibel an Temperaturschwankungen an, durch Veränderungen der
AWF–Durchmesser und Überlagerung der AWF.
- Wenn z.B. Feststoffe künstlich
erhitzt werden, werden Temperatur erreicht, die zu einer darunter
liegenden Schicht des Erdmantels oder des Erdkerns gehört. Der Druck im
GWF Erdoberfläche ist jedoch wesentlich geringer. Dies entspricht einer
isobaren Zustandsveränderung – parallel zur Abszisse im Phasendiagramm,
d.h. einer Erhöhung der Temperatur bei gleichem Druck. Daher erreicht der
Feststoff zuerst die flüssige und danach erst die gasförmige Phase. Beim
natürlichen Verlauf nehmen jedoch Druck und Temperatur in jedem
kernferneren GWF periodisch ab.
- Setzt man einen festen Stoff,
dessen stabiles Energieniveau sich unterhalb der Erdoberfläche befindet
(wie z.B. Eisen) mittels künstlicher Anregung Temperaturen aus, unter
denen er in seinem Energieniveau flüssig wird, so wird sich außerdem der
bekannte Effekt einstellen, daß der feste Aggregatzustand die größte
Dichte unter den drei AZ aufweist. Der bedeutend geringere Druck an der
Erdoberfläche führt zu einer völlig anderen Struktur des flüssigen Eisens,
was wiederum eine geringere Dichte bewirkt.
- Dieser Vorgang wird in der
Literatur als Schmelzen bezeichnet.
- Versetzt man dagegen einen
flüssigen Stoff unter irdischen Bedingungen durch starke künstliche
Temperaturanregung scheinbar in ein tieferes Energieniveau, so nimmt
dieser den gasförmigen Zustand an. Dieser Übergang entspricht dem Sieden.
Unterhalb des kritischen Punktes wird der Stoff dann nach dem
Universal-Prinzip als Dampf und oberhalb dieses als Gas bezeichnet.
Die nach der Lehrmeinung als Phasenübergänge bezeichneten Vorgänge des
Siedens und Schmelzens sind also nichts anderes als Sonderfälle aufgrund von
Übergängen in andere Energieniveaus, die nach dem Universal-Prinzip zu den
künstlichen Aggregatzustandsänderungen zu zählen sind.
Quod erat demonstrantum
