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Startseite/Thermodynamik/Phasendiagramm

Phasendiagramm

Schematisches p–T-Diagramm: Festkörper, Flüssigkeit, Gas und überkritisches Fluid; Tripelpunkt und kritischer Punkt.

Zustand (Diagrammebene)

0.5
0.45

Gemessene Größen

GebietLiquid
T̂0.500
P̂0.450

Zum Modell

Das Phasendiagramm eines reinen Stoffes in der Temperatur-Druck-Ebene zeigt die Stabilitätsgebiete von Festkörper, Flüssigkeit und Gas. Die Steigung der Koexistenzlinien folgt der Clapeyron-Gleichung dP/dT = ΔH/(T ΔV). Im Tripelpunkt koexistieren drei Phasen; jenseits des kritischen Punktes sind Flüssigkeit und Gas nicht mehr unterscheidbar (überkritisches Fluid). Die Skizze ist normiert (T̂, P̂) und kopiert nicht das experimentelle Wasser: die Kurven sind Orientierungshilfen. Metastabile Zustände (Unterkühlung, Überhitzung) sind nicht eingezeichnet. Die Schieberegler verschieben den Punkt in der Ebene und lesen die Phase ab.

Für wen: Gymnasium (Jgst. 10–11) und Einführungsvorlesung Physik / Physikalische Chemie: Phasen, Tripel- und kritischer Punkt.

Wichtige Begriffe

  • phasendiagramm
  • tripelpunkt
  • kritischer punkt
  • koexistenzkurve
  • clapeyron-gleichung
  • phasenübergang
  • überkritisches fluid
  • freie enthalpie

So funktioniert es

Schematisches Druck-Temperatur-Diagramm: die Gebiete von Festkörper, Flüssigkeit, Gas und überkritischem Zustand sind durch Schmelz-, Verdampfungs- und Sublimationskurven getrennt, die im Tripelpunkt zusammenlaufen. Die gestrichelten Kurven sind Orientierungshilfen; die Koordinaten T̂, P̂ sind für den Unterricht normiert und entsprechen nicht den Messdaten von Wasser. Die Schieberegler verschieben den gelben Punkt und lesen die Phase ab.

Wichtige Gleichungen

Entlang der Koexistenzkurven: chemische Potenziale gleich (µ₁ = µ₂)
Clapeyron: dP/dT = ΔS/ΔV auf der Grenze

Häufige Fragen

Warum ist die Schmelzlinie von Wasser nach links geneigt, bei den meisten Stoffen nach rechts?
Die Steigung in der Clapeyron-Gleichung dP/dT = ΔH/(T ΔV) bestimmt das Vorzeichen von ΔV. Bei den meisten Stoffen ist die Flüssigkeit weniger dicht als der Kristall, ΔV > 0, die Steigung positiv. Bei Wasser ist Eis weniger dicht, ΔV < 0, die Steigung negativ: steigender Druck senkt die Schmelztemperatur.
Was geschieht im kritischen Punkt?
Der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas verschwindet: Dichte und andere Eigenschaften der Phasen fallen zusammen. Jenseits davon ist der Stoff ein überkritisches Fluid: hohe Dichte bei niedriger Viskosität, ohne Meniskus Flüssigkeit–Dampf.
Was sieht man bei Erwärmung bei konstantem Druck?
Die Horizontale im Diagramm ist eine Isobare. Von links nach rechts geht bei einem Druck unterhalb des Tripelpunkts der Festkörper direkt ins Gas über (Sublimation). Oberhalb des Tripelpunkts werden zuerst die Schmelzlinie, dann die Siedelinie gekreuzt.
Warum fehlt unterkühltes Wasser im Diagramm?
Gezeigt ist nur die stabile Gleichgewichtsphase bei gegebenen T und P. Metastabile Zustände (Unterkühlung, Überhitzung) sind im Experiment möglich, auf dem üblichen Gleichgewichtsdiagramm zeichnet man sie nicht.