DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Einleitung

Wasser ist eine Flüssigkeit. Aber kennst du Wasser auch in anderer Form? Ja klar, das fällt dir bestimmt schnell ein: Wasser kann auch gefrieren und zu Eis werden – und dann ist es fest. Und wenn man es in einem Topf auf dem Herd erhitzt, fängt es irgendwann zu dampfen an und verwandelt sich so in ein Gas. Und damit sind wir auch schon beim Thema dieser Seite: Flüssig, fest und gasförmig – das sind die sogenannten Aggregatzustände. Und die schauen wir uns mal etwas genauer an.

Klar, Wasser ist flüssig und Gestein ist fest. Aber manchmal ist das alles ganz anders. Wasser kommt bekanntlich auch in fester Form vor, wenn es wie bei diesem Eisberg gefroren ist. Und auf dem großen Bild eines Vulkans oben ist das Gestein durch die Hitze flüssig geworden. Bild Eisberg: Wikipedia/Ilya Haykinson; Bild Vulkan: NASA

Wenn flüssiges Wasser gefriert und fest wird oder wenn es kocht und dadurch gasförmig wird, dann ändert es seinen Aggregatzustand. Eben noch flüssig, jetzt fest. Oder eben noch flüssig und dann gasförmig. Diese Übergänge von einem Aggregatzustand in einen anderen haben Namen. Gehen wir die möglichen Übergänge doch einmal der Reihe nach durch. Du darfst gerne selbst mit überlegen.

Beginnen wir beim festen Zustand. Wenn ein fester Stoff flüssig wird, nennt man das „Schmelzen“. Das kennen wir alle ja von leckeren Eiskugeln, die an heißen Tagen gerne mal schmelzen und uns dann auf die Hand tropfen.

Wenn genau andersherum ein flüssiger Stoff fest wird, sagt man, dass er „erstarrt“. Auch das kennt man aus dem Alltag: Es passiert im Winter ja immer wieder, wenn eine Wasserpfütze gefriert und das Wasser dann zu Eis wird.

Jetzt zum Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand: Das nennen wir manchmal verdampfen, der Fachbegriff dafür ist jedoch „sieden“. Das passiert, wenn man einen Topf mit Wasser auf den Herd stellt – vorausgesetzt dass der Herd eingeschaltet ist. ;-) Beim Sieden wird also flüssiges Wasser zu gasförmigem Wasser, das dann als Wasserdampf in die Luft steigt.

Wenn ein Gas umgekehrt flüssig wird, „kondensiert“ es. Das kannst du zum Beispiel am Badezimmerspiegel beobachten, nachdem du heiß geduscht hast: Gasförmiges Wasser aus der Luft hat sich da in Form von vielen Wassertropfen am Spiegel abgesetzt.

Das alles kennen wir so aus unserem Alltag. Jetzt kommt aber noch eine eher ungewöhnliche Sache hinzu. Normalerweise ist es so, dass ein fester Stoff zuerst flüssig und dann gasförmig wird: Wenn Eis erwärmt wird, schmilzt es und wird dabei zu flüssigem Wasser – und wenn das Wasser weiter erhitzt wird, geht es schließlich in den gasförmigen Zustand über. Also: erst fest, dann flüssig, dann gasförmig. In ungewöhnlichen Fällen kann es aber auch passieren, dass ein fester Stoff direkt in den gasförmigen Zustand übergeht! Er überspringt also den flüssigen Zustand. Wenn das passiert, nennen wir das „Sublimation“. Umkehrt geht das auch: Ein gasförmiger Stoff kann direkt fest werden, ohne zwischendurch flüssig zu sein. Dann sagt man, dass er „resublimiert“. Für uns erscheint es erst einmal unglaublich, dass so etwas geschehen kann – und es sind auch ziemliche Ausnahmen, in denen das passiert.

Die Aggregatzustände im Überblick

So, das waren die Aggregatzustände und die Übergänge von einem Zustand in einen anderen. In dem Schaubild haben wir das nochmal übersichtlich dargestellt. Jetzt aber zu der Frage, weshalb Stoffe ihren Aggregatzustand überhaupt ändern. Das hängt von zwei Sachen ab. Vielleicht fällt dir die erste auch schon selbst ein, wenn du an schmelzendes Eis in der heißen Sonne oder an zugefrorene Pfützen an kalten Wintertagen denkst. Richtig! Die Temperatur spielt dabei eine Rolle. Grundsätzlich gilt: Je mehr ein Stoff erhitzt wird, desto eher wird er flüssig und dann gasförmig. Körper, die weniger warm sind, sind dagegen eher fest.

Der „Tanz der Teilchen“

Diese Grafik soll dir stark vereinfacht eine Vorstellung davon geben, wie sich Atome zu Molekülen zusammenschließen.

Warum das so ist? Nun, jeder Körper und jeder Stoff – einfach alles auf der Welt – besteht aus kleinen Bausteinen, den Atomen, die sich auch miteinander zu Molekülen verbinden können. Stell dir diese Teilchen einfach mal wie winzig kleine Kügelchen vor. Jetzt kommt es darauf an, wie dicht die Kügelchen angeordnet sind. Wenn etwas fest ist, haben diese Teilchen meist eine Verbindung zu ihren Nachbarn – alle ganz eng beieinander. Wenn ein Stoff flüssig ist, sind die Abstände etwas größer. Und im gasförmigen Zustand sind die Teilchen noch weiter auseinander. Dabei ist folgendes wichtig: Die Teilchen liegen nicht still nebeneinander. Sondern sie schwingen leicht hin und her – es ist ein bisschen so, als ob sie „tanzen“ würden. Natürlich sieht man das einem Stoff nicht an. Aber ganz im Kleinen, in der „Mini-Welt“ der Teilchen, ist alles leicht in Bewegung. Und dabei bewegen sich die Teilchen umso mehr, je höher ihre Temperatur ist. Denn die Wärme, die einem Teilchen beim Erhitzen zugeführt wird, ist nichts anderes als Energie. Und wenn ein Teilchen mehr Energie hat, dann kann es – um bei unserem Beispiel vom „Tanz der Teilchen“ zu bleiben – einfach besser tanzen.

Stell es dir wirklich extrasupermegastark vereinfacht so vor: Die Teilchen in einem kalten Zimmer haben wenig Energie. Sie stehen alle ganz dicht nebeneinander, geben sich die Hände und wippen nur mal beim Tanzen vom einem Fuß auf den anderen. Für mehr Bewegung reicht ihre Energie nicht. Jetzt wird die Heizung aufgedreht und es wird wärmer im Raum. Die Wärme verleiht den Teilchen zusätzliche Energie. Dadurch werden sie munter und fangen an, sich beim Tanzen mehr zu bewegen. Jedes Teilchen schwingt jetzt stärker hin und her, braucht dafür etwas mehr Platz, rempelt die Nachbarn etwas weg – und einige Teilchen lassen auch die „Hände“ ihrer Nachbarn los – wobei ja wohl klar ist, dass diese Teilchen keine Hände haben ;-). Jetzt wird es noch wärmer im Raum: Immer wilder tanzen die Teilchen hin und her, und bei dieser wilden Tanzerei gibt auch niemand mehr einem anderen Teilchen die (nicht vorhandene) Hand. ;-)

Das Beispiel vom Tanz der Teilchen sollte zeigen: Die Wärmeenergie bestimmt, wie schnell ein Teilchen schwingt: Je mehr Wärmeenergie ein Teilchen erhält beziehungsweise ihm zugeführt wird, also je höher die Temperatur ist, desto heftiger schwingt es hin und her. Und wenn jedes der Teilchen sehr schnell schwingt, kann es passieren, dass sich dabei die Verbindungen zu den anderen Teilchen lösen und der Verbund also nach und nach aufbricht. Erst lösen sich nur einige Bindungen – und genau das passiert, wenn ein fester Stoff zu schmelzen beginnt! Ist der Verbund der Teilchen also nur noch wenig erhalten, ist aus einem festen Stoff eine Flüssigkeit geworden. Wird dann dieser Flüssigkeit noch mehr Wärmeenergie zugeführt, können die Teilchen sich noch heftiger und schneller bewegen, bis sich alle Bindungen zu anderen Teilchen lösen – und aus der Flüssigkeit wird dann ein Gas.

Schauen wir uns das Ganze einmal für Wasser an. Ist es sehr kalt, befindet sich Wasser im erstarrten, also festen Zustand. Wird es erwärmt, geschieht erst bei 0 °C etwas. Das ist nämlich der Schmelzpunkt von Wasser. Dort ist die Wärmeenergie so groß, dass sich die Teilchen teilweise voneinander lösen. Wir sehen dann, dass das Wasser flüssig wird. Und flüssig bleibt es auch eine ganze Weile, wenn man es erhitzt: Erst wenn das Wasser eine Temperatur von 100 °C erreicht hat, können sich die Teilchen restlos voneinander lösen. Hier ist also der Siedepunkt erreicht und aus dem flüssigen Wasser wird Wasserdampf.

Hier mal ganz stark vereinfacht die drei Aggregatzustände: Links der feste Zustand, bei dem die Teilchen eng zusammen sind. In der Mitte sind die Teilchen weiter auseinander – dann ist etwas flüssig. Rechts sind die Teilchen im gasförmigen Zustand noch weiter auseinander. Bilder: Wikipedia/Bitjungle

Allgemein können wir also festhalten, dass der Aggregatzustand eines Stoffes abhängig von der Temperatur ist: Ist seine Wärmeenergie niedrig, ist er fest, wird Wärmeenergie hinzugeführt, wird er erst flüssig und dann gasförmig. Das ist allerdings nur die halbe Wahrheit. Denn auch eine zweite Größe spielt eine wichtige Rolle. Und zwar der Druck!

Der Luftdruck um uns herum

Der Luftdruck kann mit einem Gerät, das Barometer genannt wird, gemessen werden. Hier ein altes französisches Modell.

Weißt du schon, was man unter „Druck“ versteht? Vielleicht kennst du ihn ja aus dem Physikunterricht: Druck entsteht, wenn Kraft auf eine Fläche ausgeübt wird. Das können ganz verschiedene Kräfte sein. Uns interessiert hier jedoch nur der Luftdruck. Was der mit den Aggregatzuständen zu tun hat?

Die Antwort liegt förmlich in der Luft – wie man so sagt. Unsere Luft besteht aus sehr vielen Molekülen. Zur Erinnerung: Ein Molekül – das sind zwei oder noch mehr Atome, die miteinander eine chemische Bindung eingegangen sind, sich also gewissermaßen zusammengeschlossen haben. Jedes Luftmolekül ist für sich zwar sehr klein und hat eine geringe Masse, wird aber trotzdem von der Schwerkraft der Erde angezogen. Und das bedeutet, dass eine sehr große und damit schwere Menge von Luftmolekülen auf unsere Erdoberfläche und auf alles, was sich darauf befindet, lastet. Die Luft drückt also auf die Erde und alles drauf – und das nennt man den Luftdruck. Wir Menschen merken gar nicht, dass wir ständig von allen Seiten von Luftmolekülen umringt sind: Unsere Körper sind darauf ausgelegt.

Der Luftdruck ist allerdings nicht überall gleich, sondern wird immer kleiner, je weiter wir uns von der Erdoberfläche entfernen. Denn je weiter über der Erdoberfläche wir sind, desto weniger Moleküle flitzen dort herum. Außerhalb der Erdatmosphäre sind dann gar keine Luftmoleküle mehr zu finden: Der Druck ist auf null gesunken. Das nennt man Vakuum.

Was nun außer der Temperatur den Aggregatzustand eines Stoffes beeinflusst, ist die Anzahl von Luftmolekülen, die ihn umgeben. Das hat ebenfalls etwas mit der Schwingbewegung der Moleküle zu tun. Denn auch die Luftmoleküle sausen hin und her. Und je mehr Luftmoleküle um einen Stoff wie z. B. Wasser herumflitzen und dabei mit ihm zusammenstoßen, umso weniger können die Stoffteilchen sich selbst bewegen. Das ist so ähnlich, als ob du durch eine große Menschenmasse gehen möchtest: Es geht viel langsamer voran und vor allem kostet es dich viel mehr Kraft, dich zu bewegen, als wenn dir niemand im Weg wäre. Die Schwingungen der Stoffteilchen – also etwa von Wasser – werden also von den Luftmolekülen gebremst. Auch wenn die Wasserteilchen viel Wärmeenergie aufgenommen haben, verbrauchen sie einen Teil davon bei den Zusammenstößen mit den Luftmolekülen. Der Rest ihrer Energie reicht dann nicht mehr aus, um ihren Verbund zu verlassen und frei herumzutanzen. Nur wenn man ihnen noch mehr Energie zuführt, kann das gelingen. Das bedeutet also: Je höher der Druck ist, desto mehr Wärmeenergie brauchen Stoffe, um flüssig oder gasförmig zu werden. Und umgekehrt gilt: Je niedriger der Druck in der Umgebung ist, desto leichter können die kleinen Teilchen sich aus ihrem Verbund lösen und sich aus einem Feststoff in eine Flüssigkeit und daraus in ein Gas verwandeln

Der Kochtopf auf dem Mount Everest

Der Mount Everest. Bild: Wikipedia/Luca Galuzzi

Betrachten wir wieder das Beispiel vom Wasser: Wir wollen einen Topf mit Wasser zum Kochen bringen. Und zwar auf Höhe des Meeresspiegels. Um einen Vergleich zu haben, stellen wir einen zweiten Kochtopf auf den höchsten Berg der Erde, den Mount Everest. Sein Gipfel liegt 8850 Meter hoch über dem Meeresspiegel und da oben ist die Luft schon ziemlich dünn und der Luftdruck entsprechend niedrig! Zwar ist es auf dem Mount Everest auch deutlich kälter als unten – aber das ist egal. Wir erhitzen ja die beiden Töpfe. Deshalb ist der einzige Unterschied zwischen unseren zwei Kochtöpfen der Luftdruck, der sie umgibt. Betrachten wir einmal diese Abbildung:

Hier sind die beiden mit Wasser gefüllten Töpfe zu sehen. Die Zahlen unter den Töpfen zeigen die Höhe über dem Meeresspiegel, auf der sie sich jeweils befinden, in Metern an. Die grauen Kreise stellen die Luftmoleküle dar, die schwarzen Pfeile an ihnen die Richtung, in die sie sich bewegen. Nur damit kein Missverständnis aufkommt: In Wirklichkeit sind es viele Milliarden Mal mehr Luftmoleküle, aber wir schauen hier nur auf das Verhältnis und haben die Sache daher mal wieder stark vereinfacht. Wie du in der Illustration sehen kannst, sind auf dem Mount Everest viel weniger Luftmoleküle unterwegs als auf Höhe des Meeresspiegels. Genauer gesagt sind es unten drei Mal so viele Luftmoleküle wie auf dem Mount Everest. Das bedeutet, dass der Luftdruck unten etwa dreimal so groß ist wie auf dem Berggipfel.

Fangen wir also an, unser Wasser zu erhitzen. Mittlerweile kannst du dir vielleicht auch denken, was geschieht: In beiden Töpfen bewegen sich die Wassermoleküle immer schneller. Zuerst sieht beides gleich aus. Doch dann – bei etwa 70 °C – geschieht im Topf auf dem Mount Everest etwas Erstaunliches: Eigentlich beginnt Wasser ja bei 100 °C zu kochen. Aber auf dem Berggipfel fängt das Wasser schon viel früher zu kochen an! Schon bei 70 °C! Durch den geringeren Luftdruck haben es die Teilchen im Wasser leichter, sich immer schneller und schneller zu bewegen und auch die Wasseroberfläche zu verlassen – einfach, weil sie nicht mehr so stark durch die Luftmoleküle daran gehindert werden. Das zeigt uns, wie der Luftdruck den Aggregatzustand beeinflusst.

Wie die Temperatur und auch der Druck die Bewegung der Teilchen beeinflussen, kannst du in dieser interaktiven Animation auch mal selbst ausprobieren:

In dieser Animation kannst du selbst die Temperatur und den Druck verändern. Gib einfach Teilchen in den Behälter, verändere unten die Temperatur und mit der Luftpumpe den Druck und beobachte, wie die Teilchen sich verhalten. Quelle: PhET/University of Colorado

Andere Materialien, andere Schmelzpunkte

Wenn Metalle wie Eisen erhitzt werden, schmelzen sie und werden flüssig. Bild: Goodwin Steel Casting

Bisher haben wir immer nur von Wasser geredet, wenn wir die verschiedenen Aggregatzustände und ihre Übergänge besprochen haben. Aber das gilt natürlich auch für viele andere Stoffe. Auch Metalle wie beispielsweise Eisen können flüssig sein. Falls du dich jetzt wunderst, wieso es flüssiges Metall geben kann: Ja, eigentlich kennen wir es nur in seiner festen Form. Aber das ist ja auch bei Schokolade so – um mal ein anderes Beispiel zu nehmen. Auch Schokolade ist ja eigentlich fest. Aber wenn man sie erhitzt, wird sie irgendwann flüssig. Das ist auch bei Metallen so – nur dass da ganz andere Temperaturen nötig sind. Sie haben auch einen viel höheren Schmelzpunkt als Wasser, das bei 0 ° Celsius schmilzt und vom festen Eis in den flüssigen Zustand übergeht. Bei Eisen liegt der Schmelzpunkt über 1500 °C.

Wofür muss man das wissen?

Auf der Venus herrschen enorm hohe Temperaturen von weit über 400 Grad Celsius. Das muss man berücksichtigen, wenn man eine Raumsonde dorthin schickt. Auch in der Umlaufbahn um den kleinen Planeten Merkur, der der Sonne noch näher ist, spielt die Hitzebeständigkeit der Materialien eine Rolle, aus denen eine Sonde besteht. Bild: NASA

In vielen Bereichen unseres Lebens ist es wichtig, solche Dinge zu wissen. Wenn etwas aus Metall hergestellt wird, muss man in der Industrie diese Schmelzpunkte genau kennen. Nur so lassen sich Autos herstellen, die ja zu einem großen Teil aus Metall bestehen. Dabei wird auch darauf geachtet, dass sie nicht zu schwer sind – denn jedes Kilo, das ein Auto wiegt, kostet Treibstoff. Also kümmert man sich in der Forschung darum, möglichst leichte Materialien zu verwenden, die trotzdem die größtmögliche Sicherheit bieten. Und bei welchen Temperaturen diese Materialien in die richtige Form gebracht werden – das hängt auch von ihrem Schmelzpunkt ab.

Auch in der Luft- und Raumfahrt spielen die Materialien, die da zum Einsatz kommen, eine wichtige Rolle. Wie heiß ist es auf der Venus oder in der Umlaufbahn um den kleinen Merkur ganz nah an der Sonne – und aus welchen Materialien muss dann eine Raumsonde bestehen, damit sie das aushält und die Materialien nicht schmelzen? Oder denk mal an Astronautinnen und Astronauten, die von der Internationalen Raumstation zurück zur Erde fliegen: Da rast ihr Raumschiff durch unsere Atmosphäre, wird dabei an der Außenseite immer heißer und heißer – und diese hohen Temperaturen von über 2000 °C muss ein spezielles Hitzeschutzschild verkraften, damit die Crew sicher zur Erde zurückkehren kann. Bei vielen dieser Projekte geht es immer wieder um die Hitzebeständigkeit von Materialien und damit auch um ihren Schmelzpunkt.

Wenn eine Raumkapsel wieder zur Erde zurückkehrt, ist sie beim Flug durch die Atmosphäre hohen Temperaturen ausgesetzt. Bild: North American Rockwell

In anderen Fällen spielt der Luftdruck eine große Rolle. So hat der Saturnmond Titan eine sehr dichte Atmosphäre. Da ist der Luftdruck viel größer als auf der Erde. Gleichzeitig ist es dort – weit von der Sonne entfernt – viel kälter als bei uns. Das hat seltsame Folgen: Eine Raumsonde hat da Flüsse und Seen entdeckt – aber darin ist kein Wasser, sondern so etwas wie flüssiges Erdgas. Flüssiges Gas? Tja, du weißt inzwischen ja, dass sich Gase in Flüssigkeiten verwandeln können. Und genau dieses Wissen ist nötig, um zu verstehen, was auf einem solchen Himmelskörper wie dem rätselhaften Titan passiert.

Auf dem Saturnmond Titan gibt es Seen aus flüssigem Erdgas. Die Zeichnung (also kein Foto) zeigt eine Landesonde namens „Huygens“ der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die das vor einigen Jahren untersucht hat. Bild: NASA