Schmelzen und Erstarren

Schmelzen und Erstarren. Hallo und herzlich willkommen. Heute wollen wir uns anschauen, was passiert, wenn ein Stoff schmilzt oder erstarrt. Um das zu verstehen, müssen wir drei Dinge genauer betrachten. Was bedeutet flüssig beziehungsweise fest im physikalischen Sinne? Was passiert in einem Stoff beim Übergang von flüssig zu fest beziehungsweise von fest zu flüssig? Und was ist die Schmelzwärme? Alle Stoffe, die wir auf der Erde so finden, sind aus ganz kleinen Teilchen aufgebaut. Wir nennen einen Stoff „fest“, wenn alle Teilchen in ihm einen festen Platz haben, von dem sie sich nicht wegbewegen können. Die Anziehung zwischen den Teilchen ist in festen Stoffen sehr stark. In flüssigen Stoffen ist die Anziehung zwischen den Teilchen nicht so stark. Sie können sich bewegen. Allerdings ziehen sie sich schon noch gegenseitig an. Das heißt, die Bewegung ist nicht völlig frei. Erwärmt man nun einen festen Stoff bis auf eine bestimmte Temperatur, so wird er flüssig. Diesen Vorgang nennt man „Schmelzen“. Um einen flüssigen Stoff in einen festen umzuwandeln, muss man ihn abkühlen. Wechselt ein Stoff von seinem flüssigen in den festen Zustand, so nennt man das „Erstarren“. Beobachtet hast du das Ganze sicherlich schon einmal bei Wasser. Bei Zimmertemperatur kommt es flüssig aus dem Wasserhahn. Stellst du es aber in die Gefriertruhe, so kühlt es ab und wird zu festem Eis. Die Schmelztemperatur und die Erstarrungstemperatur eines Stoffes sind dabei immer gleich. Jeder Stoff hat seine eigene Schmelz- beziehungsweise Erstarrungstemperatur. Dabei können sich diese bei verschiedenen Stoffen um mehrere tausend Grad unterscheiden. Sauerstoff zum Beispiel schmilzt schon bei -219°C. Quecksilber, das man früher oft in Thermometern benutzt hat, schmilzt bei minus 39°C. Wie du sicherlich schon weißt, liegt die Schmelztemperatur von Wasser bei 0°C. Metalle haben allgemein eine hohe Schmelztemperatur. Gold schmilzt zum Beispiel bei 1083°C, Eisen bei 1535°C. Und Wolfram, aus dem die Glühwendel von Glühbirnen sind, sogar erst bei 3380°C. Die Schmelztemperaturen, die du hier siehst, gelten allerdings nur bei Normaldruck. Das heißt, bei einem Druck von 1,013bar. Die Schmelztemperatur sinkt mit dem Druck und steigt auch mit ihm. Außerdem kann die Schmelztemperatur durch Mischen mit anderen Stoffen verändert werden. Gibt man zum Beispiel Salz in Wasser, so erstarrt das Salzwasser erst bei Temperaturen deutlich unter 0°C. Nun kommen wir zu der Frage, was man unter dem Begriff „Schmelzwärme“ versteht. Dazu betrachten wir folgendes Experiment. Wir nehmen ein Gefäß mit Wasser, geben Eiswürfel dazu und messen die Temperatur mit einem Thermometer. Außerdem führen wir dem Ganzen mit einer elektrischen Heizwendel Wärme zu. In einer Tabelle tragen wir die Wärme für die Zeit und für die Temperatur ein. Die Zeit wird dabei in Minuten, die Temperatur in Grad Celsius gemessen. Da wir wissen, wieviel Leistung die Heizwendel an das Wasser-Eis-Gemisch abgibt, kann man mit Hilfe der Gleichung Q = P * t aus der gemessenen Zeit die zugeführte Wärme berechnen. Dabei steht Q für die Wärme, P für die Leistung der Heizwendel und t für die Zeit. Das Ergebnis veranschaulichen wir wiederum in einer Tabelle. Hier wird die zugeführte Wärme in Kilojoule und die Temperatur, wie gehabt, in Grad Celsius angegeben. Das Q steht dabei für die zugeführte Wärme und das Theta für die Temperatur. Nun tragen wir die Temperatur des Wasser-Eis-Gemisches gegen die zugeführte Wärme auf. Das heißt, auf der x-Achse tragen wir die zugeführte Wärme in Kilojoule ein und auf der y-Achse die Temperatur in Grad Celsius. Das nennt man dann ein Q-Theta-Diagramm. Man beobachtet, dass sich die Temperatur anfangs nicht ändert, obwohl Wärme zugeführt wird. Erst wenn alle Eiswürfel geschmolzen sind, steigt auch die Temperatur. Das liegt daran, dass man Energie benötigt, um die Eiswürfel zu schmelzen. Die Temperatur ändert sich dabei nicht. Die Wärme, die nur für das Schmelzen eines Stoffes benötigt wird, nennt man Schmelzwärme. Sie wird, wie die Wärme auch, in Einheiten der Energie, das heißt in Joule oder auch Kilojoule gemessen. Dabei ist die Schmelzwärme für jeden Stoff unterschiedlich. Um genauer zu verstehen, wofür die Schmelzwärme benötigt wird, schauen wir uns an, was beim Schmelzen eines Stoffes mit den Teilchen in seinem Inneren passiert. In einem festen Körper sitzt jedes Atom auf seinem festen Platz, auf dem es hin und her schwingen kann. Erhöht man die Temperatur, so schwingen die Atome immer heftiger. Wenn die Temperatur hoch genug ist, schwingen die Atome so heftig, dass sie die anziehenden Kräfte überwinden und ihre festen Plätze verlassen. Dabei werden sie aber nicht schneller. Der Körper beginnt dann zu schmelzen. Beim Schmelzen wird also Energie benötigt, um die Teilchen des festen Körpers voneinander zu lösen, ohne dass dabei die Temperatur steigt. Das heißt: Theta ist konstant. Haben alle Atome ihren festen Platz verlassen, liegt eine Flüssigkeit vor. Exakt die gleiche Energie wird als Erstarrungswärme beim Erstarren von Flüssigkeiten wieder freigesetzt, wenn alle Atome wieder ihren festen Platz einnehmen. Um eine größere Menge eines Stoffes zu schmelzen, braucht man natürlich auch mehr Energie. Das heißt, mehr Bindungen zwischen den Atomen müssen aufgebrochen werden. Um die Schmelzwärme besser vergleichen zu können, definiert man die spezifische Schmelzwärme. Die spezifische Schmelzwärme hat das Formelzeichen klein q_s. Die Schmelzwärme wird mit groß Q_s abgekürzt. Die spezifische Schmelzwärme gibt an, wieviel Energie benötigt wird, um ein Kilo eines bestimmten Stoffes zu schmelzen. Die Einheit dieser spezifischen Schmelzwärme wird in Kilojoule pro Kilogramm angegeben. Die Schmelzwärme gibt an, wieviel Energie man benötigt, um eine bestimmte Stoffmenge zu schmelzen. Sie wird in Kilojoule angegeben. Um die gesamte Energie zu berechnen, die benötigt wird, um eine gewisse Menge eines Stoffes zu schmelzen, multipliziert man spezifische Schmelzwärme mit der Masse. Dabei ist darauf zu achten, dass die Masse in Kilogramm angegeben ist. Und hier noch die spezifischen Schmelzwärmen einiger Stoffe: Um Blei zu schmelzen, benötigt man 23kJ/kg, für Gold sind es 64kJ/kg. Bei Eisen sind es mit 277kJ/kg schon deutlich mehr. Wasser hat eine spezifische Schmelzwärme von 335kJ/kg. Mit 335kJ Energie könnte man ein Kilogramm Wasser im flüssigen Zustand um ungefähr 80°C erhitzen. Du siehst also, dass sehr viel Energie benötigt wird, um die anziehenden Kräfte innerhalb eines Körpers zu überwinden. Besonders viel Energie zu Schmelzen benötigt Graphit mit 16750kJ/kg. Das beim Erstarren von Wasser Energie frei wird, nutzen zum Beispiel Obstbauern. Es kommt vor, dass es während der Blütezeit nachts noch Frost hat. Normalerweise würden die Blüten dann erfrieren und die Bäume hätten im Sommer keine Früchte. Um das zu verhindern, werden die Blüten mit Wasser besprüht. Gefriert dieses in der Nacht, gibt es die Erstarrungswärme an die Blüten ab. So werden die Blüten vor der Kälte geschützt. Und das war es auch schon zum Thema „Schmelzen und Erstarren“. Tschüss und bis zum nächsten Mal.