VII.1 Aggregatzustände


Um die Vorgänge in einem Körper betrachten zu können, betrachten wir zunächst die Kräfte zwischen zwei Atomen, die sich im Abstand r voneinander befinden. Aufgrund vor allem elektrischer Wechselwirkungen üben die beiden Atome aufeinander eine Kraft
aus.

Diese Kräfte verursachen eine potentielle Energie

Betrachten wir den Verlauf der wirkenden Kräfte und der potentiellen Energie in Abhängigkeit vom Abstand der Atome. Zunächst befinden die Atome sich in der Gleichgewichtslage. Es wirken also keine Kräfte, wenn der Abstand ro beträgt:

Damit muß die potentielle Energie an dieser Stelle in Minimum haben (F~ ), also
Minimum.

Ist die Kraft zwischen den Atomen positiv, befinden sie sich also in einem näheren Abstand als der Gleichgewichtslage, dann muß gelten

Die Atome stoßen sich ab. Gilt hingegen

dann ziehen sie sich an. Nur die Lage in r0 ist folglich stabil.

Für kleine Abweichungen von der Ruhelage r0 gilt annähernd ein lineares Kraftgesetz.

F(r - r0) = K (r - r0)




Dieses Gesetz ist dem Gesetz für die Federschwingungen und damit dem des harmonischen Oszillators sehr ähnlich. In der Tat wird ein Festkörper im Modell dargestellt als Anordnung von Punktmassen, die durch Federn verbunden sind.







Die Atome führen kleine, harmonische Schwingungen um Gleichgewichtslage aus, solange man kleine Auslenkungen voraussetzt.




Bei Festkörpern unterscheidet man zwei verschiedene Arten:

a) Festkörper mit makroskopisch regelmäßigen Strukturen. Sie werden kristalline Festkörper genannt, es besteht eine Fernordnung in diesen Kristallen. Bsp: Metalle

a') Festkörper mit makroskopisch unregelmäßige Strukturen und nur lokalen Regelmäßigkeiten. Sie werden amorphe Festkörper genannt, es besteht keine Fernordnung in diesen Körpern. Bsp: Glas, Zement

Energiezufuhr geschieht in der Regel durch Wärmezufuhr, aber auch andere Energiezufuhren sind möglich, z.B. mit Lasern. Durch Energiezufuhr bei einem Kristall wird die Schwingungsamplitude größer, bis schließlich kristalline Fernordnung aufgehoben wird.




b) Steigt die Temperatur über die Schmelztemperatur, sinkt die Bindenenrgie und wird im Mittel so groß wie die kinetische Energie:

.

Es entstehen Flüssigkeiten, deren Atome gegeneinander verschiebbar sind. Eine Nahordnung ist noch vorhanden und auch das Volumen ist konstant, aber der Körper hat keine feste Gestalt. Amorphe Festkörper sind also erstarrte Flüssigkeiten.




c) Durch weitere Wärmezufuhr werden die Bindungskräfte weitgehend aufgehoben. Die Temperatur erreicht die Siedetemperatur und die Bindeenergie und wird im Mittel sehr viel kleiner als die kinetische Energie:
. Es entsteht ein Gas, dessen Atome (Moleküle) ungeordnet aneinander stoßen. Ein Gas hat weder eine feste Gestalt noch ein festes Volumen. Es gibt weder Nah- noch Fernordnung


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