Phasenumwandlungen und Energie einfach erklärt: Schmelzen & Sieden

Stell dir vor, du kochst Nudeln. Das Wasser sprudelt wild im Topf auf dem heißen Herd. Hast du dich jemals gefragt, ob das Wasser eigentlich immer heißer wird, je länger du den Herd anlässt?

Wenn wir uns mit dem Thema Phasenumwandlungen und Energie beschäftigen, stoßen wir auf eine überraschende Antwort: Nein! Egal, wie lange der Herd auf höchster Stufe läuft, das kochende Wasser wird nicht heißer als $100 \text{ °C}$. Aber wohin verschwindet dann die ganze Hitze vom Herd? In diesem Artikel lüften wir dieses Geheimnis und schauen uns an, was genau mit Eis und Wasser passiert, wenn wir sie erhitzen.

Vorwissen

• Die drei Aggregatzustände: Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Beispiel: Wasser gibt es als festes Eis, als flüssiges Wasser und als gasförmigen Wasserdampf.
• Das Teilchenmodell: Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen. Beispiel: Im festen Eis sitzen die Teilchen fest aneinander. Im flüssigen Wasser können sie sich bewegen. Im Wasserdampf fliegen sie frei herum.

Aufgabentyp 1: Schmelzen, Sieden und die Temperatur

Der Aggregatzustand eines Stoffes hängt von seiner Temperatur ab. Wenn wir Eis aus dem Gefrierfach holen und in einem Topf erwärmen, passieren spannende Dinge bei den Phasenumwandlungen und Energie.

Zuerst wird das Eis wärmer. Bei genau $0 \text{ °C}$ beginnt das Eis zu Schmelzen (es wird flüssig). Wenn wir das flüssige Wasser weiter erhitzen, wird es immer wärmer, bis es $100 \text{ °C}$ erreicht. Bei dieser Temperatur beginnt das Wasser zu Sieden oder zu verdampfen (es wird zu Gas).

Das Besondere daran ist: Während das Eis schmilzt oder das Wasser siedet, bleibt die Temperatur stehen! Auch wenn der Herd die ganze Zeit an ist, ändert sich die Temperatur nicht, bis das komplette Eis geschmolzen oder das komplette Wasser verdampft ist. Das können wir in einem Zeit-Temperatur-Diagramm sehen:

In diesem Diagramm erkennst du flache Stellen, die wie Treppenstufen aussehen. Diese flachen Stellen nennen wir Plateaus. Sie zeigen uns genau, wann der Stoff seinen Zustand ändert.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Überprüfe die Achsen auf die Zeit (x-Achse) und die Temperatur (y-Achse).
2. Finde einen bestimmten Zeitpunkt und lies die zugehörige Temperatur ab.
3. Prüfe die Form der Linie, um Phasenübergänge an flachen Stellen zu erkennen.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Ein Block aus Eis wird in einem Topf erhitzt. Das Zeit-Temperatur-Diagramm zeigt den Verlauf.

Lies aus dem Diagramm ab: Was passiert mit dem Eis zwischen Minute 4 und Minute 10?

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Die Achsen überprüfen

   Unten sehen wir die Zeit in Minuten, an der Seite die Temperatur in $°\text{C}$.

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   Schritt 2
   Einen bestimmten Zeitpunkt finden

   Wir schauen auf den Bereich zwischen der Zahl 4 und der Zahl 10 auf der unteren Achse. Wenn wir nach oben zur Linie gehen, sehen wir, dass die Temperatur in dieser ganzen Zeit genau bei $0 \text{ °C}$ liegt.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Die Form der Linie prüfen

   Die Linie ist in diesem Bereich komplett flach (waagerecht). Die Temperatur steigt nicht an.

Ergebnis:

Zwischen Minute 4 und Minute 10 bleibt die Temperatur konstant bei $0 \text{ °C}$. Das bedeutet, dass das Eis in dieser Zeit schmilzt. Der Phasenübergang von fest zu flüssig findet statt.

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Aufgabentyp 2: Wohin verschwindet die Energie?

Wir haben gesehen, dass die Temperatur beim Schmelzen und Sieden stehen bleibt. Aber der Herd ist doch an und liefert ständig thermische Energie (Wärme). Wohin geht diese Energie bei den Phasenumwandlungen, wenn sie das Wasser nicht heißer macht?

Um das zu verstehen, müssen wir uns die winzigen Teilchen ansehen. Im festen Eis ziehen sich die Teilchen sehr stark an. Stell dir vor, sie werden von unsichtbaren Gummibändern fest zusammengehalten.

Wenn das Eis $0 \text{ °C}$ erreicht, wird die gesamte Energie vom Herd dafür benutzt, diese „Gummibänder“ (die Anziehungskräfte) zu lockern und aufzubrechen. Die Energie ist also schwer beschäftigt! Weil die Energie für das Aufbrechen der Verbindungen gebraucht wird, bleibt nichts übrig, um die Temperatur zu erhöhen.

Erst wenn das letzte Stückchen Eis geschmolzen ist und alle Teilchen frei herumschwimmen können, wird die Energie wieder genutzt, um das flüssige Wasser wärmer zu machen.

Genau das Gleiche passiert beim Sieden bei $100 \text{ °C}$: Die Energie wird genutzt, um die Teilchen komplett voneinander zu trennen, damit sie als Gas (Wasserdampf) frei in die Luft fliegen können.

Wichtige Erkenntnisse

• Wasser schmilzt bei $0 \text{ °C}$ und siedet bei $100 \text{ °C}$.
• Während eines Phasenübergangs bleibt die Temperatur konstant. Im Diagramm sieht man das als flache Linie (Plateau).
• Die zugeführte Energie wird währenddessen nicht genutzt, um den Stoff heißer zu machen.
• Stattdessen wird die Energie gebraucht, um die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen aufzubrechen.