2. Aggregatzustandsänderungen

In der Natur und im Alltag findest du viele Beispiele für Körper, die ihren Aggregatzustand ändern. Du kennst jedoch auch viele Körper, die ihren Zustand unter normalen Umständen nicht verändern – z. B. der Sauerstoff in unserer Luft. Warum ändern manche Stoffe ihren Aggregatzustand und andere scheinbar nicht?
In diesem Kapitel beschäftigst du dich mit den verschiedenen Aggregatzustandsänderungen, wann genau ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert und wie man sich diese Veränderungen im Alltag zunutze machen kann.

In dieser Galerie findest du Beispiele aus dem Alltag, in denen Stoffe ihren Aggregatzustand ändern. Bestimmt kommen dir einige davon bekannt vor!

Aufgabe – Aggregatzustandsänderungen im Alltag

Finde weitere Beispiele, in denen Körper ihren Aggregatzustand ändern.
Tausche dich mit deinen Mitschülern über deine Ergebnisse aus und erstelle eine gemeinsame Liste mit Beispielen.

2.1 Bezeichnungen

Für jeden Übergang eines Körpers von einem Aggregatzustand in einen anderen Aggregatzustand gibt es einen Fachbegriff. Einige davon hast du sicherlich schon einmal gehört.

Schmelzen: Änderung des Aggregatzustands von fest zu flüssig.
Erstarren: Änderung des Aggregatzustands von flüssig zu fest.
Verdampfen: Änderung des Aggregatzustands von flüssig zu gasförmig.
Kondensieren: Änderung des Aggregatzustands von gasförmig zu flüssig.
Sublimieren: Änderung des Aggregatzustands von fest zu gasförmig.
Resublimieren: Änderung des Aggregatzustands von gasförmig zu fest.

Aufgabe – Aggregatzustandsänderungen bestimmen

In folgendem Quiz siehst du weitere Beispiele, in denen ein Körper seinen Aggregatzustand ändert. Wähle die richtige Bezeichnung für die gezeigte Aggregatzustandsänderung aus.

2.2 Umwandlungstemperaturen

Du hast nun einige Beispiele kennengelernt, in denen Körper ihren Aggregatzustand ändern. Doch wann genau ändert ein Körper seinen Aggregatzustand? Dies ist zum einen von der Temperatur abhängig.

Die Temperatur, bei der ein fester Körper zu schmelzen beginnt, wird Schmelztemperatur genannt.
Die Temperatur, bei der ein flüssiger Körper zu sieden beginnt, wird Siedetemperatur genannt.

Die Schmelztemperatur und die Siedetemperatur werden auch als Umwandlungstemperaturen bezeichnet – da bei diesen Temperaturen der Körper seinen Aggregatzustand ändert.

Stoffe besitzen jedoch unterschiedliche Umwandlungstemperaturen. Wenn Wasser siedet, hat Eisen noch nicht einmal begonnen zu schmelzen. Denn der Aggregatzustand eines Körpers ist nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Stoff abhängig. Schau dir die folgende Tabelle an:

Stoff	Schmelztemperatur (in ° C)	Siedetemperatur (in ° C)
Sauerstoff	-218	-183
Chlor	-101	-35
Brom	-7	59
Wasser	0	100
Quecksilber	-39	357
Blei	327	1744
Eisen	1538	2000

Aufgabe – Vom Gefrierschrank in den Backofen

Die folgende Tabelle beinhaltet eine Auswahl an Stoffen. Bestimme mithilfe der oben stehenden Tabelle, welchen Aggregatzustand die Stoffe im Gefrierschrank (-10° C), bei Raumtemperatur (20° C) und im Backofen (200° C) haben.

2.3 Verdunsten

Warum trocknet ein T-Shirt, wenn es an der Wäscheleine hängt? Was passiert mit der Feuchtigkeit? Unsere bisherigen Erkenntnisse verleiten zu der Annahme, dass die Flüssigkeit verdampft. Da die Außentemperatur jedoch nicht die Siedetemperatur von Wasser erreicht, kann dies nicht der Grund sein, warum das T-Shirt trocknet.

Wenn Flüssigkeiten ihren Aggregatzustand zu gasförmig unterhalb ihrer Siedetemperatur ändern, spricht man von Verdunsten.

Wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, wird ihr Energie hinzugeführt und die Teilchenbewegung nimmt zu. Ist die Siedetemperatur erreicht, entfernen sich die Teilchen weit genug voneinander, damit der Körper seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändert.

Beim Verdunsten ist die Temperatur unterhalb der Siedetemperatur und die Teilchenbewegung ist geringer. Sie übertragen jedoch ihre Energie auf andere Teilchen, wenn sie aneinanderstoßen. Besitzt ein Teilchen infolgedessen ausreichend Energie, um die Kohäsionskräfte zu überwinden, entfernt es sich vom Körper – die Flüssigkeit verdunstet.

Aufgabe – Verdunsten

Erkläre den Unterschied zwischen Sieden und Verdunsten anhand des Teilchenmodells.

Erweiterung

Warum schwitzen wir?

Bei hohen Temperaturen und bei körperlicher Anstrengung reagiert unser Körper, indem er schwitzt. Durch die Schweißbildung wird die Körpertemperatur reguliert, indem der Körper gekühlt wird. Doch wie genau funktioniert das eigentlich?

Beim Schwitzen bildet sich Schweiß auf der Haut, der anschließend verdunstet. Teilchen, die genügend Energie besitzen, entfernen sich von dem Körper. Dabei nehmen sie Energie mit, die vorher Teil der Flüssigkeit war.

Der Flüssigkeit wird also Energie entzogen – die Temperatur der Flüssigkeit sinkt und der Schweiß hat eine kühlende Wirkung. Schwitzen ist somit ein natürlicher Schutz des Körpers vor Überhitzung.

Bonusaufgabe: Nasse Badekleidung

Nach dem Baden sollte man die Badekleidung wechseln, um sich nicht zu erkälten. Erkläre anhand des Teilchenmodells, was passiert, wenn die Badekleidung nicht gewechselt wird und weshalb dies möglicherweise zu einer Erkältung führen kann.

Es gibt mehrere Faktoren, die beeinflussen, wie schnell eine Flüssigkeit verdunstet:

2.4 Anwendungen in Natur und Technik

Hier findest du viele Beispiele, wie das Wissen über Aggregatzustandsänderungen dabei hilft, die Natur zu erklären und wie es genutzt werden kann, um mithilfe neuer Entwicklungen reale Probleme zu lösen. Verschaffe dir einen Überblick und schau dir die Beispiele genauer an, die dich besonders interessieren.

Wie entsteht eigentlich Nebel?

Vor allem morgens im Herbst und Winter ist es häufig neblig, sodass man nicht sehr weit sehen kann. Doch was ist eigentlich Nebel und wie entsteht er? Recherchiere Informationen zur Entstehung von Nebel. Du kannst dafür z.B. folgende Internetseiten verwenden:

Beantworte anschließend folgende Fragen:

Aufgabe A – Wie entsteht Nebel?

Beschreibe mithilfe der von dir recherchierten Informationen die Entstehung von Nebel. Welche Körper und Aggregatzustandsänderungen spielen dabei eine Rolle?

Aufgabe B – Wann und wo entsteht Nebel?

Die Entstehung von Nebel ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Warum ...

... ist es im Herbst und im Winter häufiger neblig als im Sommer?
... tritt in der Nähe von Flüssen und Seen verstärkt Nebel auf?

Erweiterung

Wetter oder Klima?

Aufgrund des Klimawandels nimmt die Erderwärmung kontinuierlich zu. Wenn an einem Sommertag die Sonne scheint, reden wir jedoch vom Wetter und nicht vom Klima. Was ist eigentlich der Unterschied?

Wetter ist ein kurzfristiger Zustand, der sich jeden Tag oder sogar von einer Minute auf die andere ändern kann. Wenn wir aus dem Fenster schauen und sehen, dass die Sonne scheint oder dass es regnet, dann beobachten wir das Wetter.

Klima bezeichnet dagegen einen längeren Zeitraum. Bereits seit 1881 zeichnen Wissenschaftler das Wetter in Deutschland auf. Aus diesen gesammelten Daten ergibt sich das Klima. Wenn von Klima gesprochen wird, wird meistens ein Zeitraum von mindestens 30 Jahren betrachtet.

Anhand dieser gesammelten Daten wird deutlich, dass sich das Klima in den letzten Jahrzehnten drastisch verändert hat – und zwar schneller als je zuvor. Deshalb sprechen wir vom sogenannten Klimawandel.

Meerwasserentsalzung

Der Klimawandel sorgt vielerorts für Trockenheit. Zugleich steigt die Zahl der Menschen auf der Erde von Jahr zu Jahr. Doch die Trinkwasservorräte sind begrenzt. Rund 2,2 Milliarden Menschen haben keinen regelmäßigen Zugang zu sauberem Wasser (Stand 2020).
Dabei sind zwei Drittel unserer Erde von Wasser bedeckt. Davon können jedoch lediglich 0,3 Prozent als Trinkwasser genutzt werden – denn Salzwasser ist nicht trinkbar. Eine vielversprechende Lösung zur Erzeugung von Trinkwasser ist deshalb die Meerwasserentsalzung.

Experiment

Meerwasserentsalzung

Materialien

Ein großer Topf
Ein kleiner Topf (oder eine hitzebeständige Schale)
Ein Löffel
Frischhaltefolie
Ein Stein (oder ein anderer kleiner Gegenstand zum Beschweren)
Wasser
Kochsalz

Achtung: Führe dieses Experiment zu Hause bitte nur mit einem Elternteil oder einem Erziehungsberechtigten durch.

Durchführung

Fülle Wasser in den großen Topf, bis dieser etwa zu einem Viertel gefüllt ist.
Gib das Salz in den Topf und verrühre es mit dem Löffel, bis sich das Salz komplett im Wasser aufgelöst hat.
Stelle den kleinen Topf in den großen Topf. Der große Topf sollte nur so weit mit Wasser gefüllt sein, dass kein Wasser in den kleinen Topf fließt. Der obere Rand des kleinen Topfes muss niedriger als der Rand des großen Topfes sein.
Decke den großen Topf mit Frischhaltefolie ab und platziere den Stein mittig auf der Frischhaltefolie.
Erhöhe langsam die Temperatur des Wassers in dem großen Topf, bis es zu verdampfen beginnt.

Aufgabe A: Hypothese aufstellen

Stelle eine Hypothese auf: Was wird mit dem Salzwasser in dem Topf geschehen? Begründe deine Hypothese.

Aufgabe B: Beobachtungen dokumentieren

Beobachte, was mit dem Wasser im Topf geschieht und beschreibe deine Beobachtungen.

Aufgabe C: Beobachtungen erklären

Erkläre die Beobachtungen, die du während des Experiments gemacht hast. Wie unterscheidet sich das Wasser in dem kleinen Topf von dem im großen Topf?

Gehe dabei auf deine anfangs formulierte Hypothese ein.

Es existieren zwei gängige Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser. Eine davon hast du soeben selbst durchgeführt:

Verdampfung: Das Wasser wird erhitzt, bis es verdampft. Der Wasserdampf wird aufgefangen und kondensiert. Das Salz bleibt dabei zurück und das Kondensat ist somit salzfrei.
Umkehrosmose: Das Wasser wird mit hohem Druck durch eine Membran gepresst. Die Membran besitzt Löcher im Nanometerbereich, die gerade so groß sind, dass Wassermoleküle hindurch gelangen, Salzkristalle jedoch hängen bleiben.

Die Meerwasserentsalzung hat auch einige Nachteile. Zum einen enthält natürliches Süßwasser eine Vielzahl an Mineralien, die wichtig für unseren Körper sind. Durch die Entsalzung ist das Wasser so mineralarm, dass es unserem Körper sogar schadet. Deshalb müssen nachträglich wieder Mineralien hinzugefügt werden.

Zum anderen ist der Energieaufwand sehr hoch. Sowohl um große Mengen Wasser zu erhitzen als auch um sie mit hohem Druck durch eine Membran zu pressen, ist viel Energie erforderlich. Die Meerwasserentsalzung wird deshalb z. B. in den Staaten des Nahen Ostens angewendet, da dort die Wasservorräte knapp sind, durch Solarenergie und Ölvorkommen jedoch ausreichend Energie erzeugt werden kann.

Dennoch bleibt die Meerwasserentsalzung mit hohen Kosten verbunden, weshalb sie vor allem für Menschen in ärmeren Ländern, die keinen Zugang zu sauberem Wasser haben, bislang kaum eine Hilfe sein kann.

Zusammenfassung

Aggregatzustandsänderungen

1. Aggregatzustandsänderungen

Körper können ihren Aggregatzustand ändern. Jede Aggregatzustandsänderung hat eine bestimmte Bezeichnung:

Schmelzen: von fest zu flüssig
Erstarren: von flüssig zu fest
Verdampfen: von flüssig zu gasförmig
Kondensieren: von gasförmig zu flüssig
Sublimieren: von fest zu gasförmig
Resublimieren: von gasförmig zu fest

2. Umwandlungstemperaturen

Ob ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert, ist von der Temperatur abhängig. Die Temperaturen, bei der ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert, werden Umwandlungstemperaturen genannt. Jeder Stoff hat eine Schmelztemperatur und eine Siedetemperatur.

Die Schmelztemperatur von Wasser beträgt 0° C. Die Siedetemperatur von Wasser beträgt 100° C.

3. Verdunsten

Wenn ein Stoff seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig unterhalb seiner Siedetemperatur ändert, wird dies Verdunsten genannt.

Verdunstung ist eine Folge der natürlichen Teilchenbewegung. Wenn Teilchen aneinanderstoßen, übertragen sie Energie. Hat ein Teilchen ausreichend Energie, um die Kohäsionskräfte zu überwinden, entfernt es sich vom Körper.

Da dieses Teilchen dem Körper somit Energie entzieht, sinkt die Temperatur des Körpers. Dieses Prinzip nutzt der menschliche Körper, um sich abzukühlen, indem er schwitzt.

Wie schnell eine Flüssigkeit verdunstet, hängt von mehreren Faktoren ab:

Temperatur
Oberfläche
Stoff
Bewegung des entstehenden Gases

4. Anwendungen in Natur und Technik

Aggregatzustandsänderungen können wir sowohl in der Natur beobachten als auch für technische Erfindungen nutzen.

Die Erderwärmung sorgt dafür, dass das Eis an den Polkappen schmilzt und der Meeresspiegel steigt.
Nebel entsteht, wenn überschüssiger Wasserdampf in der Luft an kleinen Staubpartikeln kondensiert.
Altglas wird geschmolzen und zu neuen Flaschen verarbeitet, um unsere Umwelt zu schonen.
Die Entsalzung von Meerwasser durch Verdampfen kann dabei helfen, die weltweite Trinkwasserknappheit zu bekämpfen.