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Zustandsumwandlung / Phasenumwandlung

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In Abhängigkeit von Temperatur und Druck können Metalle drei Unterschiedliche Zustände annehmen: Festkörper, Flüssigkeit, Gas und Plasma.
Der Übergang von einem Zustand in den anderen wird korrekter Weise als Phasenumwandlung bezeichnet. Einen Zustand, in dem sich ein Metall befindet (fest, flüssig, gasförmig,…), nennt man somit Phase. Die Phase umfasst alle Bestandteile eines Stoffs, die homogen sind – also (näherungsweise) gleiche chemische und physikalische Eigenschaften besitzen.

Das folgende Bild zeigt die Phasenumwandlung von Metall in Abhängigkeit vom Wärmeeintrag.

Phasenumwandlung

Schmelzen – Phasenumwandlung fest-flüssig

Metalle haben die Eigenschaft schmelzbar zu sein. Diese Eigenschaft entsteht dadurch, dass die Atome mit zunehmender Erwärmung beweglicher werden und ihren Abstand zueinander vergrößern (daher weiten sich metallische Gegenstände bei Wärme aus). Liegt die Temperatur dagegen beim absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin (= -273,15°C), befinden sich die Atome eines Metalls in absoluter Ruhelage

Um ein Metall zu schmelzen bedarf es also einer Temperaturzufuhr, also einer Wärmeenergie, die sich in eine innere Energie wandelt. Die Temperatur des Metalls steigt daraufhin an, bis die Schmelztemperatur erreicht ist. Ab diesem Zeitpunkt steigt die Temperatur des Metalls auch trotz weiterer Energiezufuhr nicht weiter an. Die Energie wird für einen inneren Prozess aufgewendet, in dem sich die Kristallstruktur des Metalls auflöst und die Atome frei beweglich werden.

Ist das Metall flüssig – also geschmolzen – erhöht sich die Temperatur bei weiterer Wärmezufuhr wieder. Die aufgenommene Wärmeenergie ist nun im Metall gespeichert und kann beim Abkühlen und Erstarren des Metalls wieder an die Umwelt abgegeben werden. Die zum Schmelzen eines Metalls benötigte Energie bezeichnet man als Schmelzwärme.
Das Bild unten zeigt die Phasenumwandung fest-flüssig von Metall noch einmal graphisch.

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Erstarren / Kristallisation – Phasenumwandlung flüssig-fest

Die Kristallisation – also die Phasenumwandlung vom flüssigen in den festen Zustand (oder einfach die Erstarrung) – ist der umgekehrte Prozess wie das Schmelzen eines Metalls. Wenn das flüssige Metall langsam abkühlt sinkt die Temperatur bis zur sogenannten Erstarrungstemperatur. Hier hat man den umgekehrten Effekt wie beim Schmelzen, bei dem während der Erstarrung/Kristallisation Wärmeenergie vom Metall abgegeben wird, während sich die Temperatur des Metalls nicht verändert. Diese Temperatur wird in der Werkstofftechnik auch als Haltepunkt bezeichnet und ist von Metall zu Metall unterschiedlich. Erst wenn die Erstarrung abgeschlossen ist sinkt die Temperatur des Metalls wieder.
Das Bild unten zeigt die Phasenumwandung flüssig-fest in Abhängigkeit der Temperaturl noch einmal graphisch.

Interessant bei der Erstarrung von flüssigem Metall ist die Entstehung des Kristallgitters und der Körner. Die Bildung von kleinen Atomgittern beginnt beim Erreichen des Haltepunktes. Erst bilden sich nur kleine Keime, dann lagern sich daran immer weitere Atome an, bis die gesamte Schmelze erstarrt ist. Die Anzahl der Keime und die Geschwindigkeit des Kristallisationsprozesses bestimmen die Größe der Körner und damit die mechanischen Eigenschaften des Metalls.

Verdampfen – Phasenumwandlung flüssig-gasförmig

Verdampfen nennt man den Prozess, in dem ein flüssiges Metall in den gasförmigen Zustand übergeht. Der Vorgang ist ähnlich wie der des Schmelzens, denn auch beim Verdampfen wird dem (flüssigen) Metall eine bestimmte Wärmeenergie zugeführt, die keine Temperaturerhöhung zur Folge hat. Ist dem Metall die entsprechende Verdampfungswärme zugeflossen, befindet sich das Metall komplett in gasförmigem Zustand (= Gasphase) und die Temperatur steigt bei weiterer Wärmezufuhr wieder.

Aufdampfen – Phasenumwandlung gasförmig-fest (kristallin)

Die Phasenumwandlung vom gasförmigen zum festen Zustand ist bei Metallen ein besonderer Effekt, da hier der flüssige Zustand des Metalls übersprungen wird. Der Effekt des Aufdampfens wird bei der Beschichtung von Oberflächen und der Herstellung von Metallfolien genutzt. Man nennt den Prozess auch Sublimation.

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