Phasenumwandlungen

Unter einer Phasenumwandlung versteht man den Übergang eines Stoffes von einem Zustand in einen anderen. Den Begriff „Phasenübergang“ bezieht man häufig nur auf Aggregatzustandsänderungen. Der Begriff kann aber auch weiter gefasst werden. Bei dem weitgefassten Begriff ist zwischen verschiedenen Arten zu unterscheiden. Phasenumwandlungen 1. Art sind dadurch gekennzeichnet, dass bei den Umwandlungen Wärme erforderlich ist oder frei wird. Zu dieser Art der Phasenumwandlungen gehören alle Aggregatzustandsänderungen. Daneben gibt es auch Phasenumwandlungen 2. Art, bei denen keine Umwandlungswärmen auftreten. Zu solchen Phasenumwandlungen gehört z.B. der Übergang eines Stoffes aus dem normalleitenden in den supraleitenden Zustand.

Phasenumwandlungen 1. Art
Gemeint sind damit alle Aggregatzustandsänderungen mit den jeweiligen Umwandlungswärmen. Zu diesen Aggregatzustandsänderungen gehören:
- Schmelzen und Erstarren,
- Sieden und Kondensieren,
- Sublimieren und Resublimieren

Eine besondere Form der Phasenumwandlungen existiert bei Stoffen, die in einem Aggregatzustand in mehreren Modifikationen vorkommen, z.B. Kohlenstoff in Form von Diamant und Grafit oder Zinn in zwei metallischen Formen. Derartige Modifikationen treten nur in bestimmten Temperaturbereichen auf. So ist z.B. rhombischer Schwefel nur unterhalb von 95,3 °C beständig. Oberhalb dieser Temperatur wandelt er sich unter Aufnahme von Wärme in die monokline Form um.

Charakteristische Unterschiede gibt es auch zwischen kristallinen und amorphen Stoffen. Während bei kristallinen Stoffen die Phasenumwandlung bei einer bestimmten Temperatur erfolgt, lässt sich bei amorphen Stoffen, z.B. Kerzenwachs, nur ein Temperaturbereich angeben, in dem der Übergang in eine andere Phase erfolgt.

Die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Phasen

Bei Stoffen mit bestimmten Umwandlungstemperaturen gilt, dass die betreffenden Temperaturen vom Druck abhängig sind. Zur Erfassung dieser Zusammenhänge ist es üblich, für den einzelnen Stoff ein Phasendiagramm oder Zustandsdiagramm anzugeben. Der Tripelpunkt ist derjenige Punkt, bei dem die drei Phasen Eis, Wasser und Wasserdampf gleichzeitig beständig sind. Er liegt bei Wasser bei 273, 16 K und unterscheidet sich damit um 0,01 K vom Schmelzpunkt, der bei 0 °C = 273,15 K liegt. Der Tripelpunkt kann sehr genau bestimmt werden. Er ist ein Fixpunkt für die Kelvin-Skala. Der im Diagramm angegebene kritische Punkt ist derjenige, oberhalb dessen bei keinem noch so großen Druck flüssige und dampfförmige Phase gleichzeitig vorhanden sind.

Phasenumwandlungen 2. Art

Bei Phasenumwandlungen 2. Art geht es nicht um Aggregatzustandsänderungen, sondern man meint damit Übergänge zwischen verschiedenen Phasen eines Stoffes, die sich auf die unterschiedlichsten Parameter beziehen können und bei denen Umwandlungswärmen keine Rolle spielen. Beispiele für solche Phasenumwandlungen sind:

• Der Übergang eines Stoffes von der ferromagnetischen zur paramagnetischen Phase,
• der Übergang eines Stoffes vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand,
• der Übergang zwischen verschiedenen festen Phasen eines Stoffes, der mit Strukturänderungen im Stoff selbst verbunden ist.