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Selbstlerneinheit Schwingungen

Phasendiagramm und Tripelpunkt

Bisher haben wir die einzelnen Phasenübergänge unabhängig voneinander betrachtet. Trägt man die Dampfdruckkurve, die Schmelzkurve und die Sublimationskurve in ein gemeinsames pT-Diagramm ein, so erhält man das sogenannte Phasendiagramm. Dieses gibt uns einen Überblick darüber, welche Phasen unter bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen dauerhaft existieren können: Die drei Koexistenzkurven, auf denen ja jeweils zwei Phasen nebeneinander bestehen können, teilen die Fläche des Phasendiagramms in drei Bereiche, innerhalb derer jeweils nur eine der drei Phasen stabil ist. Druck und Temperatur können innerhalb dieser Bereiche variiert werden, ohne die entsprechende Phase zu zerstören.

Phasendiagramme sind natürlich stoffspezifisch. So unterscheiden sich z.B. die Diagramme von Kohlendioxid und Wasser deutlich. Beim Betrachten der Phasendiagramme fällt weiterhin auf, dass sich die drei Koexistenzkurven in einem Punkt schneiden, der als Tripelpunkt bezeichnet wird. Nur in diesem ausgezeichneten Punkt können die feste, die flüssige und die gasförmige Phase nebeneinander bestehen.

Im Tripelpunkt koexistieren feste, flüssige und gasförmige Phase.

Bei Temperaturen unterhalb des Tripelpunktes kann die flüssige Phase im Gleichgewicht nicht existieren.

Im Gegensatz zur (druckabhängigen) Schmelz- bzw. Siedetemperatur lässt sich der Tripelpunkt sehr genau reproduzieren. Als Fixpunkt der absoluten Temperaturskala wurde deshalb der Tripelpunkt des Wassers festgelegt, der bei 273,16 K liegt.

[Selbsttest]

Phasendiagramm von Wasser

Diese Abbildung zeigt das Phasendiagramm eines Stoffes mit fallender Schmelzkurve am Beispiel des Wassers.

Kritischer Punkt Tripelpunkt "normaler" Siedepunkt: 100°C = 373,15 K "normaler" Schmelzpunkt: 0 °C = 273,15 K Sublimationskurve Schmelzkurve Schmelzkurve Dampfdruckkurve Siedekurve Hier ist nur die Flüssigkeit stabil Hier ist Wasser als Feststoff stabil Hier kann nur die Gasphase bestehen Oberhalb der kritischen Temperatur ist nur die Gasphase stabil
Phasendiagramm von Wasser -nicht maßstäblich-
(Tipp: Der Mauscursor zeigt weitere Informationen)

Die Dampfdruckkurve (orange), die Schmelzkurve (grün) und die Sublimationskurve (rot) scheiden sich im Tripelpunkt Tr, der für Wasser bei 273,16 K (0,01 °C) und 6,1 hPa liegt. Bei einer Temperatur von 647 K endet die Dampfdruckkurve im kritischen Punkt Pk. Wir wissen, dass bei Temperaturen oberhalb der kritischen Temperatur lediglich die Gasphase existieren kann.

Das Phasendiagramm eignet sich gut, um einen Überblick über die unter bestimmten Bedingungen im Gleichgewicht vorliegenden Phasen zu erlangen: Kühlen wir beispielsweise Wasserdampf unter Normaldruck (1013 hPa) langsam ab, so beginnt dieser im Punkt A (373 K / 100 °C) zu kondensieren. Im Punkt B (273 K / 0 °C) schließlich erstarrt das flüssige Wasser zu Eis. Oberhalb von A ist nur die Gasphase stabil, zwischen A und B nur die flüssige und unterhalb von B nur die feste Phase.

 

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