Wasser-Aggregatzustände-Universalprinzip

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(3.8) Aggregatzustände

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