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Physik: Das Phasendiagramm von Wasser
Betrachten Sie die Aggregatzustände von Wasser (H2O): fest, flüssig und gasförmig.
Der Aggregatzustand eines Stoffes hängt sowohl vom Druck als auch von der Temperatur des Stoffes ab.
In einem Phasendiagramm wird der Druck (y-Achse) in Abhängigkeit der Temperatur (x-Achse) aufgetragen. Der Übergang von einem zum anderen Aggregatzustand findet entlang einer festen Kurve statt. Am Tripelpunkt, dem Schnittpunkt der Siedepunktskurve und der Schmelzkurve, können alle drei Aggregatzustände (fest, flüssig und gasförmig) gleichzeitig existieren. Den Flächen zwischen den Kurven können die jeweiligen Aggregatzustände zugeordnet werden.
Aufgabe: Beschriftung eines Phasendiagramms
In der Abbildung ist ein typisches Phasendiagramm für Wasser dargestellt.
Aufgabe: Bitte beschriften Sie mit den an der rechten Seite angegebenen Begriffen das Diagramm. Hierzu können Sie per „Drag & Drop“ die Begriffe von der rechten Seite an die richtige Stelle (blaumarkierte Kreise) ziehen.
In der Experimentalphysik werden Abhängigkeiten oft in Form von Diagrammen dargestellt. Erst durch die richtige Achsenbeschriftung wird deutlich, was genau dargestellt wird. Im Studium begegnet man unterschiedlichen Diagrammen, deren charakteristische Punkte man kennen und interpretieren sollte. Dazu gehört der sichere Umgang mit der Fachsprache, viele neue Begriffe müssen gelernt werden. Durch logisches Denken können dabei oft Zusammenhänge hergeleitet werden, was einem reinen Auswendiglernen entgegenwirkt.
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Die folgende Aufgabe zeigt, wie zum Beispiel ein solches Diagramm interpretiert werden kann. Versuchen Sie es einmal selbst und betrachten Sie hierzu das Phasendiagramm von Wasser.
Aufgabe: Wie ändert sich der Aggregatzustand von gefrorenem Wasser (Eis) bei einer Temperatur von etwa T=-2 °C wenn der Druck stark erhöht wird?
Der Aggregatzustand bleibt gleich (fest).
Dies ist bei niedrigen Drücken der Fall, was passiert wenn der Druck weiter erhöht wird?
Der Aggregatzustand ändert sich und das Eis wird flüssig
Im Phasendiagramm ist am Verlauf der gebogenen Schmelzkurve deutlich zu sehen, dass gefrorenes Wasser bei steigendem Druck flüssig wird.
Der Aggregatzustand ändert sich und das Eis wird zu Wasserdampf (gasförmig)
Ein direkter Phasenübergang von der festen zur gasförmigen Phase findet zum Beispiel statt wenn der Druck stark sinkt, p<0,006 bar.
Erhöht sich der Druck auf das gefrorene Wasser (Eis), geht Wasser in den flüssigen Aggregatzustand über. Dieses Verhalten wird auch als Anomalie des Wassers bezeichnet und ist der Grund warum Schlittschuhfahren so gut funktioniert. Egal ob beim Eiskunstlauf oder Hockey Spiel durch den Druck der auf das Eis ausgeübt wird wird das Wasser wieder flüssig und die Reibung zwischen der Klinge am Schlittschuh und dem Eis verringert sich.
Andere Stoffe, wie zum Beispiel Stickstoff weisen keine Anomalie auf und bleiben bei Erhöhung des Druckes fest. Sie erhalten ein Feedback zu den einzelnen Antworten, indem Sie auf das klicken.