Wärmelehre

Phasen, Komponenten und thermodynamische Systeme

Wie man Phasen und Komponenten eines Systems sicher zählt und offene von geschlossenen Systemen unterscheidet.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Eine Phase ist ein physikalisch und chemisch homogener Bereich in genau einem Aggregatzustand; als Mischphase kann sie mehrere Komponenten enthalten.
  • Komponenten sind die chemisch verschiedenen Stoffe eines Systems; Modifikationen wie Diamant und Graphit sind eine Komponente, aber verschiedene Phasen.
  • Gase sind stets einphasig, auch als Gemisch; Festkörper können mehrphasig sein.
  • Eis-Wasser ohne Gasphase hat eine Komponente und zwei Phasen; Ethanol-Wasser mit Dampfraum und Wasser mit Zinkgranulat haben je zwei Komponenten und zwei Phasen.
  • Ungesättigte Saccharoselösung ohne Gasphase und Kochsalzlösung ohne Bodenkörper sind einphasig mit zwei Komponenten.
  • Ein offenes System tauscht Energie und Materie aus, ein geschlossenes nur Energie; seine Stoffmenge ist konstant, sein Volumen nicht zwingend.

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Worum es geht

Wer Mehrphasensysteme beschreiben will, braucht zwei Zählgrößen: die Zahl der Phasen und die Zahl der Komponenten. Beide gehen später in die Gibbs’sche Phasenregel ein. Sie helfen auch beim Verständnis von Emulsionen, Suspensionen und Lösungen in der Arzneiformenlehre.

Phase und Mischphase

Eine Phase ist ein Bereich, in dem überall dieselben Eigenschaften herrschen. Dichte, Brechungsindex und Zusammensetzung ändern sich innerhalb der Phase nicht. An der Grenze zur nächsten Phase springen sie dagegen sprunghaft.

📖 Definition: Phase

Eine Phase ist physikalisch und chemisch homogen und liegt in genau einem Aggregatzustand vor: fest, flüssig oder gasförmig.

Eine Phase muss kein reiner Stoff sein. Enthält sie mehrere Stoffe gleichmäßig verteilt, heißt sie Mischphase. Eine klare Zuckerlösung ist so ein Fall: Zucker und Wasser bilden zusammen eine einzige flüssige Phase.

Die Stoffe, aus denen sich ein System aufbaut, heißen Komponenten. Gezählt werden die chemisch verschiedenen Stoffe, nicht die Bereiche. Phase und Komponente sind also zwei getrennte Fragen. Eine Phase kann mehrere Komponenten enthalten, und eine Komponente kann auf mehrere Phasen verteilt sein.

Auch der Aggregatzustand ist nicht dasselbe wie die Phase. Öl auf Wasser ist zweimal flüssig und trotzdem zweiphasig. Bei Festkörpern kommen Modifikationen hinzu. Das sind verschiedene Kristallstrukturen desselben Stoffes. Diamant und Graphit bestehen beide nur aus Kohlenstoff. Ihre Gitter unterscheiden sich aber, und damit auch Härte, Dichte und Leitfähigkeit.

Gitterstruktur von Diamant und Graphit im Vergleich.

Zwei Modifikationen des Kohlenstoffs: gleicher Stoff, verschiedene Phasen.

Liegen Diamant und Graphit zusammen vor, hat das System also eine Komponente und zwei Phasen. Festkörper sind deshalb nicht stets einphasig. Ein Gemenge aus zwei verschiedenen Kristallarten zählt ebenso als zwei Phasen.

Bei Gasen ist es einfacher. Gasteilchen bewegen sich frei und durchmischen sich vollständig. Gase sind daher stets einphasig. Eine Mischung idealer Gase, etwa Luft aus Stickstoff und Sauerstoff, ist ein Einphasensystem mit mehreren Komponenten.

Phasen und Komponenten zählen

Beim Zählen hilft ein fester Ablauf. Phasen und Komponenten bestimmt man getrennt und achtet dabei auf zwei Angaben: Gibt es eine Gasphase? Gibt es einen Bodenkörper?

  1. Komponenten: Liste die chemisch verschiedenen Stoffe auf. Ein gelöstes Salz zählt als ein Stoff, auch wenn es in Ionen zerfällt.
  2. Phasen: Suche die homogenen Bereiche. Viele Körner desselben Feststoffs bilden zusammen eine Phase.
  3. Gasphase prüfen: Ist ein Dampfraum vorhanden, kommt genau eine Phase hinzu, egal wie viele Stoffe verdampfen.
  4. Bodenkörper prüfen: Ungelöster Feststoff am Boden ist eine eigene Phase.

Die folgenden fünf Systeme zeigen typische Fälle. Sie sind auch in der Abbildung dargestellt.

System Komponenten Phasen
Eis-Wasser-Mischung ohne Gasphase 1 (Wasser) 2 (fest, flüssig)
Ethanol-Wasser-Gemisch mit Gasphase 2 2 (Lösung, Dampf)
Wasser mit Zinkgranulat 2 2 (Wasser, Zink)
Ungesättigte Saccharoselösung ohne Gasphase 2 1
Kochsalzlösung ohne Bodenkörper 2 1

Fünf Bechergläser mit unterschiedlichen Systemen, Phasen farbig hervorgehoben und mit Komponenten- und Phasenzahl beschriftet.

Phasen werden als homogene Bereiche gezählt, Komponenten als chemisch verschiedene Stoffe.

Eis und Wasser sind derselbe Stoff in zwei Aggregatzuständen. Deshalb gibt es eine Komponente, aber zwei Phasen. Beim Ethanol-Wasser-Gemisch enthält der Dampf beide Stoffe, er bleibt aber eine einzige Gasphase. Die Zinkkörner zählen zusammen als eine feste Phase, egal wie viele es sind.

In der ungesättigten Saccharoselösung, auch Rohrzuckerlösung genannt, ist aller Zucker gelöst. Es bleibt eine Mischphase aus zwei Komponenten. Für die Kochsalzlösung gilt dasselbe. \(\ce{NaCl}\) liegt zwar als \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Cl-}\) vor, zählt aber als eine Komponente. Fällt Salz als Bodenkörper aus, wird das System zweiphasig. Kommt über einer der Lösungen ein Dampfraum hinzu, steigt die Phasenzahl ebenfalls um eins.

Offene und geschlossene Systeme

Ein thermodynamisches System ist der Teil der Welt, den man betrachtet. Alles andere ist die Umgebung. Entscheidend ist, was die Systemgrenze durchlässt: Energie, Materie oder beides.

Ein offenes System tauscht mit der Umgebung Energie und Materie aus. Eine Abdampfschale auf dem Heizbad nimmt Wärme auf und gibt Dampf ab. Ein geschlossenes System tauscht nur Energie aus, aber keine Materie. Eine zugeschmolzene Ampulle lässt sich erwärmen, ihr Inhalt bleibt aber drin.

Weil keine Materie hinein- oder hinausgeht, ist die Stoffmenge im geschlossenen System konstant. Energie kann als Wärme oder als Arbeit fließen. Man kann sich die Grenze wie eine dichte, aber dehnbare Hülle vorstellen.

Drei Systeme mit Pfeilen für Wärme, Arbeit und Materie: Abdampfschale, Ampulle und Zylinder mit Kolben.

Offenes System, geschlossenes starres System und geschlossenes System mit beweglicher Grenze.
⚠️ Achtung: Volumen im geschlossenen System

Geschlossen heißt nicht starr. Ein Zylinder mit beweglichem Kolben ist geschlossen, sein Volumen ändert sich aber beim Erwärmen. Konstant ist nur die Stoffmenge.

Die Ampulle ist also ein geschlossenes System mit festem Volumen, der Kolbenzylinder eines mit veränderlichem Volumen. Tauscht ein System weder Energie noch Materie aus, spricht man von einem abgeschlossenen System. Dieses und die Größen der Energiebilanz behandelt die Einheit zum ersten Hauptsatz.

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Aussage 1

Das Volumen eines geschlossenen Systems bleibt immer konstant.

Konstant ist nur die Stoffmenge. Ein Zylinder mit beweglichem Kolben ist geschlossen und kann sein Volumen ändern.

Aussage 2

Eine Eis-Wasser-Mischung ohne Gasphase ist ein Zweikomponentensystem.

Eis und flüssiges Wasser sind derselbe Stoff. Das System hat eine Komponente und zwei Phasen.

Aussage 3

Ein Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff bildet eine Phase mit zwei Komponenten.

Gase durchmischen sich vollständig und sind stets einphasig; Stickstoff und Sauerstoff sind zwei chemisch verschiedene Stoffe.

Aussage 4

Liegen Diamant und Graphit nebeneinander vor, besteht das System aus einer Komponente und zwei Phasen.

Beide sind Modifikationen des Kohlenstoffs, also ein Stoff mit zwei verschiedenen Kristallstrukturen.

Aussage 5

Eine Phase muss stets aus einem einzigen reinen Stoff bestehen.

Eine Phase kann als Mischphase mehrere Komponenten enthalten, etwa eine klare Zuckerlösung.

Aussage 6

Eine Kochsalzlösung ohne Bodenkörper und ohne Gasphase ist ein einphasiges System.

Das gesamte \(\ce{NaCl}\) ist gelöst, es gibt nur eine homogene flüssige Phase mit zwei Komponenten.

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