Wie Viele Aggregatzustände Gibt Es?

Wie Viele Aggregatzustände Gibt Es
Aggregatzustände des Wassers – Sachanalyse Alle Lebewesen (Tiere, Menschen, Pflanzen) brauchen regelmäßig Wasser, um leben und wachsen zu können. Wasser ist Lebens- und Überlebensmittel. Zudem wird die Erde auch der blaue Planet genannt, da 70% mit Wasser bedeckt sind.

fest Ein fester Stoff hat immer eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Man kann ihn nur durch äußere Krafteinwirkung (z.B. Druck) verändern. Feste Körper haben Oberflächen, die sie begrenzen. flüssig Ein flüssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Er nimmt die Form des Gefäßes an, in dem er sich befindet oder bildet Tropfen aus. Flüssigkeiten bilden Oberflächen aus, die sie begrenzen. gasförmig Ein gasförmiger Stoff hat keine bestimmte Form und kein bestimmtes Volumen. Er verteilt sich in dem Raum, der ihm zur Verfügung steht. Gase bilden keine Oberflächen, die sie von ihrer Umgebung abgrenzen, sondern werden in ihrer Ausbreitung von der Umgebung begrenzt.

Feste und flüssige Stoffe kann man immer sehen, auch wenn sie farblos sind, da sie begrenzende Oberflächen haben. Gasförmige Stoffe hingegen sind in der Regel nicht sichtbar, es sei denn sie sind farbig. Beim Wasser nennt man die verschiedenen Aggregatzustände Eis (festes Wasser), Wasser (flüssiges Wasser) und Wasserdampf (gasförmiges Wasser).

Wachs: das Wachs einer Kerze wird flüssig, wenn man die Kerze anzündet Schokolade: Schokolade wird in der Sonne (zäh)flüssig und im Kochtopf flüssig Blei: beim Blei gießen wird das feste Blei flüssig und beim schlagartigen Abkühlen in Wasser wieder fest Margarine: schmilzt beim Braten

Stoffe ändern ihren Aggregatzustand durch Energieaufnahme oder durch Energieabgabe, d.h. wenn ihre Temperatur erhöht wird (z.B. durch eine Herdplatte, Kerzenflamme, menschliche Körpertemperatur, Sonne etc.) bzw. wenn ihre Temperatur erniedrigt wird (z.B.

Kühl-/ Gefrierschrank, Lufttemperatur etc.). Der Übergang von einen in den anderen Aggregatzustand erfolgt bei bestimmten Temperaturen und wird durch bestimmte Fachbegriffe bezeichnet (siehe Tabelle 3). Der Stoff selber bleibt bei den Aggregatzustandsänderungen erhalten, sein Zustand ist aber verändert (vgl.

bei der Verbrennung von z.B. Holz bleibt das Holz nicht erhalten, sondern es entsteht Asche.).

Bezeichnung des Vorgangs bei der Aggregatzustandsänderung Übergang von, Beispiel Wasser
Schmelzen , fest zu flüssig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Schmelztemperatur* bezeichnet. Eis schmilzt in der Sonne oder im Colaglas, da es Wärme(energie) aus der Umgebung aufnimmt. Die Schmelztemperatur liegt bei 0°C.
Erstarren , flüssig zu fest. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Erstarrungstemperatur* bezeichnet. Sie ist gleich der Schmelztemperatur. Wasser erstarrt z.B. in Eiswürfelbeuteln in der Gefriertruhe zu Eis, da es abgekühlt wird. Die Erstarrungstemperatur liegt bei 0°C.,
Verdampfen , flüssig zu gasförmig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Siedetemperatur*, Im Kochtopf verdampft das Wasser zu Wasserdampf, da es Wärme(energie) von der Herdplatte aufnimmt. Man sagt auch, dass es siedet. Die Siedetemperatur von Wasser liegt bei 100°C. Die Bildung der Wasserdampfblasen am Topfboden kann beobachtet werden. Sie steigen dann nach oben und verlassen das flüssige Wasser.
Verdunsten Als Verdunstung bezeichnet man den Übergang flüssiger Stoffe in den gasförmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur. Die Verdunstung verläuft langsamer als die Verdampfung da dem Stoff weniger Wärme(energie) zugeführt wird. Wasser verdunstet, wenn durch die Sonne die Luft erwärmt wird: die Wäsche trocknet.
Kondensieren , gasförmig zu flüssig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Kondensationstemperatur*, Sie ist gleich der Siedetemperatur. Am kühlen Kochtopfdeckel kondensiert der Wasserdampf zu Wasser, da dieser dort abkühlt. Die Kondensationstemperatur von Wasser liegt bei 100°C.
Sublimieren , fest zu gasförmig. Gefrorene Wäsche trocknet an kalten, trockenen Tagen im Freien.
Resublimieren , gasförmig zu fest. Raureifbildung.

Tabelle 3: Übersicht über die Änderungen der Aggregatzustände (nach ) *Man findet für die Siede-/Schmelztemperatur usw. oft synonym die Begriffe Siede-/Schmelzpunkt. Die Bezeichnung Siede-/Schmelztemperatur ist vorzuziehen, da Stoffe bei einer bestimmten Temperatur verdampfen/schmelzen.

Außerdem schmelzen nicht alle Stoffe an einer bestimmten Temperatur, sondern zeigen einen Schmelzbereich (z.B. Schokolade). nach Bader, H.J.; Drechsler, B.; Gerlach, S. (1999): Stärkung durch Kompetenz. Naturwissenschaftliche Inhalte im Sachunterricht unterrichten. Institut für Didaktik der Chemie der Johann Wolfgang Goethe- Universität Frankfurt am Main.

Didaktische Anmerkungen: Da Wasser in seinen drei Aggregatzuständen im Alltag auftaucht, haben Kinder viel Vorerfahrungen zu den verschiedenen Aggregatzuständen. Allerdings werden die einzelnen Aggregatzustände nicht unbedingt dem einen Stoff Wasser zugeordnet.

  • Sie werden schon in der Sprache getrennt.
  • Man sagt „Eis” zu festem Wasser, „Wasser” zu flüssigem Wasser und „Dampf” zu gasförmigen Wasser.
  • Bei anderen Stoffen hat man diese Trennung in der Sprache nicht z.B.
  • Sagt man zu festem Wachs „Wachs” und für flüssigen Wachs gibt es kein eigenes Wort.
  • Für Kinder ist Eis demnach etwas anderes als Wasser.

Zumal auch Speiseeis als „Eis” bezeichnet wird. Die Versuche zu den Aggregatzuständen des Wassers sollen dazu dienen, den Zusammenhang zwischen den einzelnen Aggregatzuständen zu erkennen. Es ist der gleiche Stoff Wasser, obwohl er ganz unterschiedlich aussieht.

Bei dem Versuch „Eiswürfel schmelzen” soll deutlich werden, dass das Eis nicht verschwindet, sondern dass nach dem Schmelzen genau so viel Wasser vorhanden ist wie zu Anfang. Wichtig ist auch die Diskussion darüber, dass der Grund für die Aggregatzustandsänderungen in der Temperatur zu suchen ist. Bei einer bestimmten Temperatur liegt Wasser immer in einem bestimmten Aggregatzustand vor.

So ist Wasser aufgrund der Temperaturen in unserer Umgebung meist im flüssigen Zustand zu sehen. Zur Strukturierung dieser Überlegungen hilft ein übersichtliches Schema (siehe Abb.) zu den Aggregatzustandsänderungen. Abb.: Schema zu den Aggregatzuständen des Wassers Man kann in diesem Schema anhand der Temperaturachse die steigende bzw. sinkende Temperatur verfolgen und dabei die entsprechenden Aggregatzustände betrachten. Die farbige Markierung der Pfeile unterstützt die gedankliche Linie.

  • Man kann auf der Temperaturachse die Schmelz- und Siedetemperaturen ergänzen.
  • Das Sublimieren und Resublimieren werden in der Grundschule nicht thematisiert.
  • Besonders schwierig ist das Verständnis des gasförmigen Aggregatzustandes, da Gase nicht zu sehen sind.
  • Die Kinder haben die Vorstellung, dass das Wasser beim Verdunsten bzw.

Verdampfen zu Luft wird oder verschwindet. Zur Erarbeitung ist es daher von Vorteil, wenn Kinder schon Erfahrungen zum Thema Luft (siehe CHEMOL) gemacht haben und wissen, dass es Gase gibt. Daher sollten die Kinder genau die Vorgänge beim Erhitzen beobachten.

  • Es entstehen Blasen, die aufsteigen und wenn das Wasser siedet erkennt man „Dampf”.
  • Dieser „Dampf” besteht aus kleinen kondensierten Wassertropfen, die durch die Hitze nach oben getragen werden.
  • Den Wasserdampf kann man hingegen nicht sehen.
  • Es ist nun wichtig, dass der Wasserdampf wieder zu Wasser wird, wenn er abkühlt.

Es ist also der gleiche Stoff, der aber ganz anders aussieht. Für die Erarbeitung eignet sich der Versuch „Wetter I”. Der Versuch „Wetter II” überträgt das Phänomen auf einen größeren Maßstab, wobei die Kinder ihr erlerntes Wissen auf einen anderen Versuchsaufbau anwenden müssen.

Es ist hier sinnvoll, eine Reihe vom kleinen, leicht beobachtbaren Versuch über einen größeren Versuchsaufbau hin zum Wetterkreislauf zu diskutieren. Erst wenn die Kinder verstanden haben, dass flüssiges Wasser beim Erwärmen gasförmig wird, kann man die Verdunstung erklären. Bei der Verdunstung ist nämlich nur zu beobachten, dass das Wasser irgendwann weg ist.

Man kann nicht sehen, wo es geblieben ist. Mit dem Vorwissen aus den Verdampfungsversuchen können die Kinder einfacher erkennen, dass Wasserdampf in der Luft enthalten sein muss. Dies kann man prüfen, indem man die Luft abkühlt, z.B. indem man Eis in einen Löffel legt oder ein Glas in den Kühlschrank stellt.

Glas und Stift (oder Glas mit Skalierung z.B. Messbecher) Eiswürfel Leitungswasser

Das Glas wird halbvoll mit Wasser gefüllt. Ein (oder auch mehrere) Eiswürfel werden in das Glas gegeben. Dann wird der Wasserstand mit dem Stift markiert oder der Wert auf der Skala notiert. Nun lässt man solange stehen bis die Eiswürfel geschmolzen sind.

  • Variante: Man gibt einen möglichst großen Eiswürfel in ein Glas.
  • Anschließend füllt man so viel Wasser in das Glas, dass es gerade nicht überläuft.
  • Der Eiswürfel schwimmt an der Wasseroberfläche.
  • Er schmilzt im Wasser und man kann beim genauen Hinsehen erkennen, dass das kältere Wasser in Schlieren zum Boden des Glases fällt.

Der Wasserstand hat sich nicht verändert, nachdem das gesamte Eis geschmolzen ist. Der Eiswürfel schwimmt auf der Wasseroberfläche, da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat. Eis ist Wasser in fester Form. Ab einer Temperatur von 0°C schmilzt es und wird zu flüssigem Wasser.

  • Der Aggregatzustand ändert sich also von fest zu flüssig.
  • Der Teil des Eises, der sich unter Wasser befindet, verdrängt etwas Wasser (Daher steigt der Wasserspiegel an, wenn man den Eiswürfel in das Wasser gibt).
  • Deshalb und da die Dichte des Wassers höher ist als die des Eises, kommt es im Gefäß nicht zu einer Volumenzunahme.

Bei starker Erwärmung der Erdatmosphäre z.B. durch den Treibhauseffet würde das Eis an den beiden Polen schmelzen. Aktuell war z.B. dieses Frühjahr in Spitzbergen in der Arktis bis zu 13°C zu warm. Das Eis des Nordpols schwimmt im Wasser. Wenn es schmilzt, steigt der Meeresspiegel nicht an, da das Eis schon Wasser verdrängt hat.

Metalldeckel vom Sektflaschenverschluss Glasstab o.ä. (z.B. Grogrührer) Gefrierschrank/-fach Glas Leitungswasser

Mit dem Glasstab wird ein Tropfen Wasser auf den Sektflaschenverschluss gebracht und in den Gefrierschrank gestellt. Man lässt ihn für ca. zehn Minuten im Gefrierschrank stehen (je nach Wassermenge und Gefrierschranktemperatur). Nach dem Herausnehmen beobachtet man den erstarrten Wassertropfen (Eis).

  • Der Wassertropfen wird im Gefrierschrank fest.
  • Nach dem Herausnehmen wird der Eistropfen wieder flüssig.
  • Wenn man genau beobachtet, werden auch andere Bereiche des Sektflaschenverschlusses feucht.
  • Flüssiges Wasser erstarrt bei 0°C und tieferen Temperaturen zu festem Wasser (Eis).
  • Eis schmilzt ab einer Temperatur von 0°C und höheren Temperaturen zu flüssigem Wasser.

Die Temperatur, bei der der Feststoff schmilzt bzw. der flüssige Stoff erstarrt, nennt man Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur. Wenn man den Deckel mit den flüssigen Wassertropfen ca. eine Stunde (je nach Raumtemperatur und Wassermenge) an der Luft stehen lässt, ist das Wasser verdunstet.

Flüssiges Wasser wird zu gasförmigen Wasser (Wasserdampf). Wenn man Leitungswasser verwendet, erkennt man nach dem Verdunsten des Wassers Rückstände auf dem Deckel. Dies sind Salze, die im Leitungswasser gelöst waren und nun zurückbleiben. Man kann diesen Effekt verhindern, indem man destilliertes Wasser verwendet (z.B.

Bügeleisenwasser), da dies reines Wasser ohne gelöste Salze ist.

Glas Kühlschrank oder Gefriertruhe

Ein Glas wird in den Kühlschrank oder in die Gefriertruhe gestellt. Dann nimmt man es heraus und beobachtet an der Luft. Das Glas „beschlägt” an der Luft. Wenn man mit dem Finger über das Glas streicht, ist es feucht. Nach kurzer Zeit ist das Glas wieder trocken und nicht mehr „beschlagen”.

Das Glas wird im Kühlschrank abgekühlt. In der Luft ist Wasserdampf enthalten. An der kalten Oberfläche des Glases kondensiert daher Wasserdampf aus der Luft und wird zu flüssigem Wasser: das Glas „beschlägt”. Wenn das Glas länger an der Luft steht, wird es erwärmt und das flüssige Wasser verdunstet wieder zu Wasserdampf.

Das Kondensieren von Wasserdampf aus der Luft an kalten Gegenständen kann man auch beim „Versuch Wassertropfen erstarren” beobachten. Im Alltag ist dieses Phänomen vielfältig zu beobachten, z.B. „beschlagen” im Winter Brillen, wenn man aus dem Kalten in warme Räume geht.

2 x Metalldeckel eines Sektfaschenverschlusses Grillzange oder Pinzette Glasstab Kerze Streichhölzer destilliertes Wasser (z.B. für Dampfbügeleisen)

Mit dem Glasstab gibt man einen Tropfen destilliertes Wasser auf je einen Metalldeckel. Einen lässt man liegen. Den anderen erwärmt man vorsichtig über eine Kerzenflamme. Der Deckel wird dabei mit einer Grillzange festgehalten. Man kann beobachten, wie das Wasser im zweiten Teil des Versuchs wesentlich schneller verschwunden ist.

  1. Bei dem anderen Versuch dauert es mindestens eine Stunde bis das Wasser verschwunden ist.
  2. Im ersten Teil dieses Versuchs kann man beobachten, wie das Wasser langsam verdunstet,
  3. Der Übergang von flüssig zu gasförmig geschieht bei Temperaturen weit unterhalb der Siedetemperatur,
  4. Der zweite Teil des Versuchs zeigt, dass die Energiezufuhr den Übergang von flüssig zu gasförmig beschleunigt.

Man spricht dann von Verdampfen Wenn man Leitungswasser verwendet, findet man nach dem Verdunsten bzw. Verdampfen Rückstände. Dies sind in Wasser gelöste Salze, die zurück bleiben.

Esslöffel Teelicht leere Teelichtschale Drahtgestell eines Sektverschlusses Leitungswasser Eiswürfel

Durchführung In eine leere Teelichtschale wird etwas Leitungswasser gegeben. Diese stellt man auf das Drahtgestell eines Sektverschlusses. Unter das Gestell wird ein Teelicht gestellt und entzündet (siehe Abb), Dann wird das Wasser in der Teelichtschale beobachtet.

  1. Wenn „Dampf” aufsteigt wird ein Eiswürfel auf den Esslöffel gegeben.
  2. Dann hält man den Löffel in den „Dampf”.
  3. Man kann auch einfach den Löffel ohne Eis über die Teelichtschale halten.
  4. Nach ca.2 Minuten (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen.
  5. Mit der Zeit werden es immer mehr und nach ca.6 Minuten steigt „Dampf” auf.

Wenn man einen Eiswürfel in den Esslöffel legt, „beschlägt” er von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten) ohne ihn in den „Dampf” zu halten. Wenn man ihn in den „Dampf” hält, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden.

Auch ohne Eis im Löffel bildet sich Flüssigkeit unter dem Löffel, die heruntertropft, wenn man ihn schräg hält. Mit Eis bildet sich aber mehr Flüssigkeit. Das Wasser wird durch die Kerzenflamme erwärmt. In Wasser sind verschiedene Gase (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff) gelöst, die sich auch in der Luft befinden.

Durch Erwärmen werden diese Gase ausgetrieben, so dass die ersten Blasen aus in Wasser gelösten Gasen bestehen. Dieses Phänomen der gelösten Gase sollte an dieser Stelle didaktisch reduziert werden. Wird das Wasser weiter erwärmt, sind die Gase ausgetrieben und das flüssige Wasser wird gasförmig.

Dies ist ebenfalls in Form von Blasen zu beobachten, die nun aber aus Wasserdampf bestehen. Allerdings siedet das Wasser anfangs noch nicht. Erst wenn eine Temperatur von 100°C erreicht ist, fängt es an zu sieden, was gut bei einer kleinen Wassermenge zu beobachten ist. Das flüssige Wasser verdampft zu Wasserdampf.

Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist. Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf”, den man aufsteigen sieht. Man sollte diesen „Dampf” eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht.

An der Löffelunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Da am Löffel viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen”. Man kann diesen Versuch mit dem Wetter vergleichen. In der Natur wird das Wasser allerdings nicht bis zum Sieden erwärmt, sondern es verdunstet.

Dieser Unterschied zwischen Versuch und Natur sollte diskutiert werden. Wenn Wasserdampf im Freien aufsteigt, kühlt er sich mit zunehmender Höhe immer mehr ab (Faustregel: 1°C Abkühlung pro 100 m Höhenunterschied). Das Eis im Löffel deutet dieses Phänomen modellhaft an.

Man kann bei diesem Versuch während der Erwärmungszeit die Feuchtigkeitsbildung an der Unterseite des Löffels thematisieren, die sich nach dem Auflegen des Eises bildet. Dies ist für die Kinder schwer zu deuten, wenn dies ein Einstiegsversuch ist. Wenn andere Versuche zu den Aggregatzuständen vorher durchgeführt wurden, kann hier Erlerntes wiederholt werden.

Wenn die Kinder behaupten, dass das Wasser des schmelzenden Eiswürfels über den Rand des Esslöffels läuft und das Wasser an der Löffelunterseite daher stammt, kann man diesen Einwand aufgreifen und eine größere Schale (z.B. Marmeladenglasdeckel) verwenden, die mehr Wasser aufnehmen kann.

Heizplatte Kochtopf gewölbte Metallschale (z.B. Deckel von einer Keksdose) Paketband Dosenstecher Deckenhalter/Kartenhalter Leitungswasser Eiswürfel

Wenn man keine gewölbte Metallschale zur Verfügung hat, kann man sie aus einem Keksdosendeckel herstellen: Man legt sie auf Sand und klopft mit einem runden Gegenstand (z.B. einem runden Stein) eine runde Wölbung hinein. Mit einem Dosenstecher sticht man Löcher in den Rand des Deckels und befestigt das Paketband daran, so dass man den Deckel aufhängen kann.

Das Leitungswasser wird in den Kochtopf gefüllt und mit der Heizplatte erhitzt. Die Metallschale wird mit den Bändern an einen Deckenhaken oder einen Kartenhalter gehängt. Wenn Dampf aufsteigt, werden Eiswürfel in die Metallschale gelegt. Nach einiger Zeit (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen.

Mit der Zeit werden es immer mehr und es steigt Dampf auf. Wenn man Eiswürfel in die Metallschale legt, „beschlägt” sie von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten). Wenn man sie in den Dampf hängt, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden.

  1. Es „regnet”.
  2. Das Wasser wird durch die Heizplatte erwärmt.
  3. Die Erklärung ist identisch wie beim Versuch „Wetter I”.
  4. Der Wasserdampf steigt auf und ist zu beobachten.
  5. An der Metallschale kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert.
  6. Es fängt an zu „regnen”.
  7. Dieser Versuch ist eine „Vergrößerung” des Versuches Wetter I.

Die Schüler müssen so das erlernte Wissen aus dem ersten Versuch auf einen neuen Versuchsaufbau übertragen. Diese gedankliche Verknüpfung kann anschließend auf den Wetterkreislauf in der Realität erweitert werden. Auch der umgekehrte Lernweg vom Wetterkreislauf zu den Versuchen ist möglich.

Kunststoffflasche 2 Kartons (z.B. kann man bei Schuhkartons auch Unterseite und Deckel verwenden) Metallschale (z.B. Butterbrotdose oder Kuchenbackform) Schere oder Pricknadel Farben, Kleber, Tonpapier etc. Draht heißes Leitungswasser Eiswürfel

Mit einer Schere trennt man den Flaschenhals ab und schneidet die Flasche der Länge nach durch (kleine ½ L Kunststoffflaschen lassen sich leichter schneiden, da sie dünnere Wände haben), Die Schachtel wird so zurechtgeschnitten oder ausgeprickt, dass man vorne eine Landschaft hat.

  1. Man kann die Schachtel auch bemalen oder bekleben.
  2. Die zweite Schachtel wird hinter die erste gestellt.
  3. Aus Draht werden zwei Halterungen gebogen.
  4. Die zwei Halterungen werden in zwei Einschnitte in der Rückwand gehängt und evtl.
  5. Mit Klebeband befestigt.
  6. In die „Landschaftsschachtel” stellt man nun die Metallform und füllt sie mit heißem Wasser.

Die aufgeschnittene Flasche wird in die Halterungen gehängt und mit Eiswürfeln befüllt. „Dampf” steigt vom heißen Wasser auf. An der Unterseite der halben Flasche bildet sich Flüssigkeitstropfen. Mit der Zeit tropfen einige Tropfen herunter: Es „regnet”.

  • Das flüssige Wasser verdunstet zu Wasserdampf.
  • Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist.
  • Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf”, den man aufsteigen sieht.
  • Man sollte diesen „Dampf” eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht.

An der Flaschenunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Da an der Flasche viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen”. An der Unterseite der Flasche kann schon Wasser zu beobachten wenn Eis im Löffel liegt, da in der Luft schon Wasserdampf enthalten ist.

Dieser kühlt an der kalten Unterseite ab und kondensiert Dieses Modell veranschaulicht den Wasserkreislauf und führt somit den Gedankengang der Versuche zum Wetter I + II weiter und das Fachkonzept der Aggregatzustände wird nochmals wiederholt. Die Kinder können selber basteln und müssen sich dabei Gedanken über die Gestaltung machen, z.B.

wie soll die Landschaft aussehen? Wo befindet sich das Wasser, wo befindet sich z.B. das Watt, die Berge usw.? Man sollte auf jeden Fall das Modell mit der Realität vergleichen. Den einzelnen Bestandteilen des Modells und den Beobachtungen sollten entsprechend die Aspekte des Wasserkreislaufs gegenübergestellt werden (siehe Tab.1).

Modell Realität
Wasser in der Metallschale Seen, Nordsee (Wattenmeer), allgemein Meere
Flasche mit Eis kühle Luft in oberen Luftschichten
Verschiedene Landschaftsbereiche Berge, Marsch etc.
Kondenstropfen an der Flasche Wolkenbildung
herabfallende Wassertropfen Regen

Tab.1: Beispiel für ein Vergleich von Modell und Realität Ein zusätzlich gemaltes Bild des Wasserkreislauf fördert nochmals den Vergleich von Realität und Modell. Aggregatzustände Zyklische Abläufe der Natur. Die Schere wird beim Schneiden der Plastikflasche schnell stumpf.

Wie viele Aggregatzustände gibts?

Die drei klassischen Aggregatzustände sind dabei fest, flüssig und gasförmig: fest: Ein fester Stoff hat immer ein bestimmtes Volumen und eine feste Form. Beispiel: Eis. flüssig: Ein flüssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine feste Form.

Was ist der 4 Aggregatzustände?

Aggregatzustände Physik – In der Physik unterscheidest Du viele verschiedene Zustände der Materie. All diese Aggregatzustände sind durch die ähnlichen physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe unter bestimmten Temperatur- und Druckverhältnissen definiert.

Was sind die 6 Aggregatzustände?

Aggregatzustände Fast alle Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Man spricht vom festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand. In welchem Aggregatzustand ein Stoff vorliegt, hängt von der Temperatur und auch vom Druck ab.Durch Zufuhr oder Abgabe von Wärme oder durch Veränderung des Druckes kann sich der Aggregatzustand eines Stoffes ändern.

Ist Plasma der 4 Aggregatzustand?

Die Plasmaphysik beschäftigt sich – wie der Name nahelegt – mit den physikalischen Eigenschaften von Plasmen Mit steigender Temperatur gehen alle Stoffe gewöhnlich nacheinander vom festen in den flüssigen und dann in den gasförmigen Zustand über. Wird die Temperatur noch weiter erhöht, entsteht ein Plasma.

Ein Plasma nennt man deshalb auch den “vierten Aggregatszustand der Materie”: Die Atome des Gases spalten Elektronen ab und bleiben als geladene Teilchen zurück.99 Prozent der Materie im Universum liegen in diesem Aggregatzustand vor, denn alle Sterne bestehen aus Plasma. Das extrem heiße ionisierte Gas bildet das Medium, aus dem Sterne durch Kernfusion die Energie gewinnen, die sie unter anderem als Licht abstrahlen.

Beispiele für Plasmen aus dem Alltag sind die Plasmasäule in einer Neonröhre, ein elektrischer Funke oder der Plasmafaden eines Blitzes. Ein Plasma hat ganz andere Eigenschaften als ein normales Gas. Zum Beispiel ist ein Plasma elektrisch leitend. Seine Bewegung lässt sich daher durch elektrische und magnetische Felder beeinflussen.

Wie viele Materiezustände gibt es?

In unserem Alltag begegnet uns Materie in drei verschiedenen Aggregatzuständen – fest, flüssig und gasförmig. Laut den Gesetzen der Quantenphysik sind allerdings auch exotischere Zustände möglich. Einer davon – ein Suprafestkörper – wurde bereits vor über 50 Jahren theoretisch vorhergesagt.

Seither versuchen Wissenschaftler, diesen Materiezustand zu erzeugen. Nun haben Forscher zum ersten Mal zweifelsfrei einen Suprafestkörper im Labor nachgewiesen. Wie das gelang, erzählt Tilman Pfau von der Universität Stuttgart im Interview mit Welt der Physik. Welt der Physik: Was ist ein Suprafestkörper? Tilman Pfau: Ein Suprafestkörper ist ein Körper, der gleichzeitig flüssig und fest ist.

Das widerspricht unserer Alltagserfahrung, ist aber laut den Gesetzen der Quantenphysik möglich. Auch in der klassischen Physik gibt es Mischungen aus verschiedenen Materiezuständen. Teilweise geschmolzenes Eis hat beispielsweise einen festen und einen flüssigen Anteil.

Doch anders als in solchen klassischen Mischungen – in denen die zwei Zustände nebeneinander existieren – überlagern sie sich im Suprafestkörper auf quantenmechanische Art und Weise. Wie kann man sich diese Überlagerung vorstellen? Festkörper und Flüssigkeit unterscheiden sich im Verhalten ihrer Bestandteile – also der Atome oder Moleküle.

Während die Bestandteile eines Festkörpers regelmäßig – in einer sogenannten Kristallstruktur – angeordnet sind, bewegen sie sich in einer Flüssigkeit ohne feste Struktur. In einem Suprafestkörper sind die einzelnen Teilchen sowohl Bestandteil der Kristallstruktur eines Festkörpers als auch der freien Bewegung einer Flüssigkeit.

  1. Außerdem ist der flüssige Anteil des Suprafestkörpers suprafluid.
  2. Das bedeutet, dass sich die Atome oder Moleküle – aufgrund der Quantenphysik – reibungsfrei bewegen.
  3. Sind Suprafestkörper in der Natur zu finden? In der Natur ließ sich solch ein überlagerter Zustand aus Supraflüssigkeit und Festkörper noch nicht finden.

Seit der theoretischen Vorhersage vor über 50 Jahren gab es immer wieder Versuche, den exotischen Materiezustand im Labor herzustellen – zunächst aber ohne Erfolg. Denn die Schwierigkeit besteht darin, die Kräfte in einem Körper so zu kontrollieren, dass sich ein fester und ein flüssiger Zustand gleichzeitig ausbilden. Tilman Pfau Ein Suprafluid stellt man beispielsweise mit Heliumatomen her, die bis knapp über den Temperaturnullpunkt heruntergekühlt werden. Um allerdings eine Überlagerung aus einem suprafluiden und festen Zustand zu erzeugen, sind Atome mit besonderen Eigenschaften nötig.

Wir haben Dysprosium-Atome verwendet, die sich wie Stabmagnete – abhängig von ihrer Position zueinander – entweder gegenseitig abstoßen oder anziehen. Durch diese richtungsabhängige Kraft bilden sich beim Abkühlen gleichzeitig ein Suprafluid und eine geordnete Festkörperstruktur. Und wie wissen Sie, dass es sich tatsächlich um einen Suprafestkörper handelt? Der Nachweis eines Suprafestkörpers ist dreigeteilt: Als Erstes haben wir uns den erzeugten Materiezustand unter einem Mikroskop angeschaut.

So haben wir überprüft, ob sich wirklich eine periodische Kristallstruktur ausgebildet hat. Anschließend mussten wir sichergehen, dass unser System kein klassisches Gemisch aus Zuständen ist, sondern quantenmechanische Eigenschaften besitzt. Mithilfe von Interferenzexperimenten haben wir gezeigt, dass sich alle Atome des Systems durch einen gemeinsamen quantenmechanischen Zustand beschreiben lassen.

  1. Der finale Schritt, der zum zweifelsfreien Nachweis eines Suprafestkörpers bislang fehlte, war der Nachweis von Schallwellen im Suprafestkörper.
  2. Wie lässt sich mit Schall ein Suprafestkörper nachweisen? Stößt man einen Körper an, schwingen seine Bestandteile auf eine bestimmte Art und Weise – abhängig vom inneren Aufbau des Körpers.

Diese Schwingung breitet sich dann in Form von unterschiedlich schnellen Schallwellen aus. Als wir unseren Suprafestkörper zum Schwingen anregten, haben wir eine ganz spezielle Schwingungsmode entdeckt. Eine dieser sogenannten Goldstone-Moden entsteht, wenn eine Kristallstruktur und eine Flüssigkeit entgegengesetzt schwingen.

  • Durch den Nachweis dieser sehr langsam schwingenden Schallwelle konnten wir zum ersten Mal zweifelsfrei nachweisen, dass in unserem System tatsächlich sowohl ein suprafluider als auch ein fester Zustand in einer Überlagerung existieren.
  • Welche Anwendungen bietet dieser Materiezustand? Mit unserem Experiment betreiben wir vor allem Grundlagenforschung.

Wir wollten nachweisen, dass Suprafestkörper nicht nur theoretisch existieren, sondern dass sie sich auch im Labor herstellen lassen. Damit haben wir die Möglichkeit, viele bisher unbekannte Eigenschaften von Suprafestkörpern zu erforschen. Außerdem ist auch die Entdeckung weiterer Materiezustände denkbar.

Was ist Plasma Feuer?

Noch von der Schulbank her sind wir es gewohnt, alle Stoffe in drei Aggregatzustände – fest, flüssig und gasförmig – einzuteilen. In den letzten Jahren rückt jedoch der vierte Aggregatzustand, den man auf Grund seines eigenartigen Verhaltens Plasma bezeichnet, immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses – Frank-Kamenezki, 1963 Das Plasma (griech.: das Formbare) als den vierten Aggregatzustand zu bezeichnen, schließt sich einerseits den griechischen Philosophen an, die die Elemente Erde (fest), Wasser (flüssig), Luft (gasförmig) und Feuer (Plasma) kannten.

Andererseits ist die Bezeichnung als neuer Aggregatzustand auch aus moderner Sicht durchaus treffend, weil bei den hohen Temperaturen die Atome in positive Ionen und negative Elektronen zerfallen und damit die Zerlegung der Materie in ihre Bestandteile durch einen neuen Prozeß fortgesetzt wird. Ein Plasma ist ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas, das als nunmehr elektrisch leitendes Medium eine Reihe von Eigenschaften besitzt, die es von Gasen, Flüssigkeiten oder festen Körpern deutlich unterscheidet.

“Vom Plasma sprechen die Physiker erst seit kurzer Zeit, doch gesehen hat es schon jeder. In dem imposanten Schauspiel, das Blitz und Nordlicht bieten, ist das Plasma der Hauptakteur. Wer einmal das “Vergnügen” hatte, eine Kurzschluß in der elektrischen Leitung zu verursachen, hat ebenfalls mit dem Plasma Bekanntschaft gemacht.

  1. Der Funke, der von einem Leiter zum anderen überspringt, besteht aus dem Plasma einer elektrischen Entladung in der Luft.
  2. Wenn wir abends durch die Straßen einer Großstadt spazieren und die Lichtreklamen sehen, denken wir nicht daran, daß in jeder Röhre das Plasma der Edelgase Neon oder Argon leuchtet.

Jeder auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzte Stoff geht in den Plasmazustand über. Eine gewöhnliche Flamme besitzt eine gewisse elektrische Leitfähigkeit; sie ist – wenn auch in geringem Maße – ionisiert, sie ist ein Plasma.” Unser technisches Zeitalter ist ohne Plasmen nicht denkbar.

  • Die Chips in diesem und jedem anderen Computer werden mit Plasmaverfahren geätzt, flache Computerbildschirme benutzen Plasmadisplays, Gaslaser, in denen das Plasmamedium Atome oder Moleküle anregt, werden in der Forschung, Industrie, Medizin und Umweltanalytik eingesetzt.
  • Neue Werkstoffe werden mit Plasmabrennern erzeugt.

Zur Lösung der Energieprobleme künftiger Generationen ist die Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kernfusion nunmehr in greifbare Nähe gerückt.99% des leuchtenden Universums ist im Plasmazustand. Es sind die kalten Bedingungen auf unserem Planeten, die uns die klassischen Aggregatzustände als die “natürlichen” erscheinen lassen.

Alle Sterne sind Plasmen, weil sie sehr heiß sind, aber auch das Medium zwischen den Sternen ist im Plasmazustand. Dieses Gas ist so dünn, daß bereits das schwache Sternlicht dazu ausreicht, den Atomen, das ein oder andere Elektron zu entreissen und damit zu einer nennenswerten Ionisation zu führen. Selbst wenn nur ein Ion auf 100.000 neutrale Atome kommt, reagiert das Gas auf elektrische und magnetische Kräfte – es ist ein Plasma.

Deshalb gilt die Plasmaphysik als Grundlagenwissenschaft für die Astrophysik. In Plasmen wirken also elektrische und magnetische Kräfte, die die Bewegungen der Teilchen stark beeinflussen. Die viel leichteren Elektronen können sich relativ zu den 2000 mal schwereren Ionen schnell bewegen. Die Sonne ist wie alle Sterne eine Plasmakugel. In ihrem Innern werden bei Millionen Grad Wasserstoffatomkerne zu Helium verschmolzen. Die frei werdende Energie wird vom Sonnenkern durch Strahlung und Plasmaströmungen an die Oberfläche transportiert, dort herrschen 6000 Grad und die meisten Atome sind ionisiert.

Aus der Oberfläche brechen Plasmaströmungen auf und entweichen in den Weltraum, dabei entstehen magnetische Röhren, die das Plasma bündeln und auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Auf diese Weise bläst die Sonne einen Plasmawind mit bis zu 600 Kilometern pro Sekunde. Der Sonnenwind trifft auf das Erdmagnetfeld, wo er abgelenkt wird.

Durch zeitliche und örtliche Schwankungen an der Oberflache, “rüttelt” der Sonnenwind am Erdmagnetfeld. Aus der Schule wissen wir, da beim Rütteln an magnetischen Feldlinien elektrische Ströme auftreten. Diese Ströme werden in der Erdmagnetosphäre “verheizt” – das Nordlicht entsteht. Wir beschäftigen uns an der Sternwarte mit ganz verschiedenen Problemkreisen aus der Astrophysik. Zum einen geht es um den Ursprung kosmischer Magnetfelder. Überall im Universum gibt es Magnetfelder. Sie sind zwar viel schwächer als das Erdmagnetfeld, aber ihre Feldlinien erstrecken sich ber Tausende von Lichtjahren.

Magnetfelder hängen immer mit elektrischen Strömen zusammen, deshalb muß es im Universum riesige elektrische Generatoren geben, die die Magnetfelder erzeugen und aufrechterhalten – die galaktischen Dynamos. So wie im Dynamo am Fahrrad, wird in Galaxien ein bereits existierendes Magnetfeld durch Leiterbewegungen verstärkt, es fließen elektrische Ströme, die in geeigneter Weise strukturiert, das Magnetfeld aufrechterhalten.

In Scheibengalaxien zum Beispiel, spiegeln die magnetischen Feldlinien die Spiral- und Balkenstruktur wieder. Ein weiterer Aspekt unserer Arbeit ist die Beschleunigung von Teilchen in elektrischen Feldern. Immer, wenn magnetische Feldlinien mit unterschiedlichen Richtungen aufeinandertreffen, werden elektrische Felder erzeugt.

Entlang dieser Felder können sehr effizient Teilchen beschleunigt werden. Diesen Prozeß kann man direkt in der Erdmagnetosphäre beobachten, dort führt er zum Nordlicht. Die beschleunigten Teilchen treffen auf die Sauerstoff – und Stickstoffatome unserer Atmosphäre, ionisieren sie und regen sie so zu den imposanten Leuchterscheinungen an.

Auf der Sonnenoberfläche kann man das Aufeinanderprallen von magnetischen Feldlinlinien mit unterschiedlichen Richtungen ebenfalls beobachten. Dort führt die Freisetzung der magnetischen Energie zu gewaltigen Eruptionen und zur Beschleunigung von Teilchen auf sehr hohe Energien und zur Aufheizung der Sonnenatmosphäre auf mehrere Millionen Grad.

Die paradoxe Situation, daß die Sonnenoberfläche nur 6000 Grad heiß ist, während ihre Atmosphäre Millionen Grad heißes Gas besitzt, läßt sich nur durch “unsichtbaren” Energietransport von elektromagnetischer Energie in die Atmosphäre erklären. In astrophysikalischen Systemen kommen gestörte Magnetfelder mit unterschiedlichen Richtungen fast überall vor.

Immer dann, wenn eine äußere Kraft am Plasma zieht, reißt oder drückt, werden auch die Magnetfelder entsprechend zerzaust oder komprimiert und Feldlinien mit unterschiedlichen Richtungen treffen aufeinander. Abhängig von der jeweils vorliegenden Magnetfeldstärke können dabei sehr hohe Teilchenenergien auftreten.

Wir behandeln diesen Prozess für das Nordlichtphänomen in der Erdmagnetosphäre, für die Röntgenstrahlung von jungen Sternen, und für die Produktion von Gammastrahlung in aktiven galaktischen Kernen. Dort insbesondere erfordern die beobachteten Zeitskalen der Strahlungsleistung einen effizienten Beschleunigungsmechanismus, der ähnlich wie bei Sonneneruptionen, in kurzer Zeit viele Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigen kann.

In aktiven galaktischen Kernen strömt Plasma in einer Scheibe auf ein schwarzes Loch. Die Bewegungsenergie, die das Gas bei seinem Einfall auf das starke Schwerkraftfeld des schwarzen Loches gewinnt, wird in der Scheibe abgestrahlt. Die Scheibe, die Magnetfelder besitzt, wird aufgeheizt und es kommt zu gigantischen Eruptionen, in deren Verlauf magnetische Energie in Teilchenenergie umgesetzt wird. Pulsare sind Sternleichen. Sie entstehen als Überrest einer Supernova-Explosion, wenn im Inneren eines mehrere Sonnenmassen schweren Sternes die Kernfusion abbricht. Aufgrund der fehlenden Energiequelle, bricht der Kern des Sterns in sich zusammen. Der hohe Druck quetscht die Elektronen in die Atomkerne hinein und es entsteht durch die Vereinigung von Protonen und Elektronen ein Neutronenstern.

Diese ca.10 km große Kugel verbleibt als Überrest, während die äußeren Sternhüllen in einer gewaltigen Explosion abgesprengt werden. Die kleine Kugel enthält bis zu 1.44 Sonnenmassen, dreht sich bis zu 1000mal pro Sekunde und besitzt ein Magnetfeld, das eine Billion-mal stärker ist als das Erdmagnetfeld und sich mit dem Stern mitdreht.

Aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit des Sternmagnetfeldes werden an der Oberfläche des Neutronensterns starke elektrische Felder aufgebaut, die Teilchen aus der Sternoberfläche herausreissen. Diese strömen entlang der Feldlinien ab und strahlen, vor allem im Radiobereich (100 Megahertz- bis einige GHz).

Der Leuchtstrahl dreht sich wie ein Leuchtturm im Kosmos und immer, wenn er unsere Sichtlinie schneidet, sehen wir die intensive Strahlung des Neutronensterns – er pulsiert, daher der Name Pulsar. Pulsare sind so exakt in ihren Eigenschaften, daß man die irdischen Atomuhren mit ihnen eichen kann. Pro Sekunde und pro Quadratmeter strahlt ein Pulsar soviel Energie ab, wie die Erde in 10 Milliarden Jahren verbraucht.

Die hohe Intensität der Strahlung verlangt einen kohärenten Strahlungsprozeß, bei dem alle Teilchen zur gleichen Zeit die gleiche Energie abstrahlen, ähnlich wie in irdischer LASER. An der Sternwarte arbeiten wir an theoretischen Modellen zu eben diesem bis heute unbekannten Strahlungsmechanismus.

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Was ist der Plasma Zustand?

Plasma – der vierte Aggregatzustand – Die Plasmatechnologie beruht auf einem einfachen physikalischen Prinzip. Durch Energiezufuhr ändern sich die Aggregatzustände: aus fest wird flüssig, aus flüssig gasförmig. Wird einem Gas nun weitere Energie zugeführt, so wird es ionisiert und geht in den energiereichen Plasmazustand als vierten Aggregatzustand über.

Plasma wurde erst im Jahre 1928 von Irving Langmuir entdeckt. Dabei kommt es gar nicht besonders selten vor, im Gegenteil: Mehr als 99% der sichtbaren Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. Auf der Erde kommt es in seiner natürlichen Form z.B. in Blitzen oder als Polarlicht in der Arktis und Antarktis vor.

Bei einer Sonnenfinsternis lässt sich das Plasma als heller Lichtkranz (Korona) um die Sonne beobachten. Aggregatszustände Der Energieeintrag erfolgt über die Aggregatzustände fest, flüssig, gasförmig. Wird mittels elektrischer Entladung zusätzlich Energie in die gasförmige Materie eingekoppelt entsteht Plasma.

Wie viele Aggregatzustände hat Wasser?

Aggregatzustände des Wassers – Sachanalyse Alle Lebewesen (Tiere, Menschen, Pflanzen) brauchen regelmäßig Wasser, um leben und wachsen zu können. Wasser ist Lebens- und Überlebensmittel. Zudem wird die Erde auch der blaue Planet genannt, da 70% mit Wasser bedeckt sind.

fest Ein fester Stoff hat immer eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Man kann ihn nur durch äußere Krafteinwirkung (z.B. Druck) verändern. Feste Körper haben Oberflächen, die sie begrenzen. flüssig Ein flüssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Er nimmt die Form des Gefäßes an, in dem er sich befindet oder bildet Tropfen aus. Flüssigkeiten bilden Oberflächen aus, die sie begrenzen. gasförmig Ein gasförmiger Stoff hat keine bestimmte Form und kein bestimmtes Volumen. Er verteilt sich in dem Raum, der ihm zur Verfügung steht. Gase bilden keine Oberflächen, die sie von ihrer Umgebung abgrenzen, sondern werden in ihrer Ausbreitung von der Umgebung begrenzt.

Feste und flüssige Stoffe kann man immer sehen, auch wenn sie farblos sind, da sie begrenzende Oberflächen haben. Gasförmige Stoffe hingegen sind in der Regel nicht sichtbar, es sei denn sie sind farbig. Beim Wasser nennt man die verschiedenen Aggregatzustände Eis (festes Wasser), Wasser (flüssiges Wasser) und Wasserdampf (gasförmiges Wasser).

Wachs: das Wachs einer Kerze wird flüssig, wenn man die Kerze anzündet Schokolade: Schokolade wird in der Sonne (zäh)flüssig und im Kochtopf flüssig Blei: beim Blei gießen wird das feste Blei flüssig und beim schlagartigen Abkühlen in Wasser wieder fest Margarine: schmilzt beim Braten

Stoffe ändern ihren Aggregatzustand durch Energieaufnahme oder durch Energieabgabe, d.h. wenn ihre Temperatur erhöht wird (z.B. durch eine Herdplatte, Kerzenflamme, menschliche Körpertemperatur, Sonne etc.) bzw. wenn ihre Temperatur erniedrigt wird (z.B.

  1. Ühl-/ Gefrierschrank, Lufttemperatur etc.).
  2. Der Übergang von einen in den anderen Aggregatzustand erfolgt bei bestimmten Temperaturen und wird durch bestimmte Fachbegriffe bezeichnet (siehe Tabelle 3).
  3. Der Stoff selber bleibt bei den Aggregatzustandsänderungen erhalten, sein Zustand ist aber verändert (vgl.

bei der Verbrennung von z.B. Holz bleibt das Holz nicht erhalten, sondern es entsteht Asche.).

Bezeichnung des Vorgangs bei der Aggregatzustandsänderung Übergang von, Beispiel Wasser
Schmelzen , fest zu flüssig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Schmelztemperatur* bezeichnet. Eis schmilzt in der Sonne oder im Colaglas, da es Wärme(energie) aus der Umgebung aufnimmt. Die Schmelztemperatur liegt bei 0°C.
Erstarren , flüssig zu fest. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Erstarrungstemperatur* bezeichnet. Sie ist gleich der Schmelztemperatur. Wasser erstarrt z.B. in Eiswürfelbeuteln in der Gefriertruhe zu Eis, da es abgekühlt wird. Die Erstarrungstemperatur liegt bei 0°C.,
Verdampfen , flüssig zu gasförmig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Siedetemperatur*, Im Kochtopf verdampft das Wasser zu Wasserdampf, da es Wärme(energie) von der Herdplatte aufnimmt. Man sagt auch, dass es siedet. Die Siedetemperatur von Wasser liegt bei 100°C. Die Bildung der Wasserdampfblasen am Topfboden kann beobachtet werden. Sie steigen dann nach oben und verlassen das flüssige Wasser.
Verdunsten Als Verdunstung bezeichnet man den Übergang flüssiger Stoffe in den gasförmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur. Die Verdunstung verläuft langsamer als die Verdampfung da dem Stoff weniger Wärme(energie) zugeführt wird. Wasser verdunstet, wenn durch die Sonne die Luft erwärmt wird: die Wäsche trocknet.
Kondensieren , gasförmig zu flüssig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Kondensationstemperatur*, Sie ist gleich der Siedetemperatur. Am kühlen Kochtopfdeckel kondensiert der Wasserdampf zu Wasser, da dieser dort abkühlt. Die Kondensationstemperatur von Wasser liegt bei 100°C.
Sublimieren , fest zu gasförmig. Gefrorene Wäsche trocknet an kalten, trockenen Tagen im Freien.
Resublimieren , gasförmig zu fest. Raureifbildung.

Tabelle 3: Übersicht über die Änderungen der Aggregatzustände (nach ) *Man findet für die Siede-/Schmelztemperatur usw. oft synonym die Begriffe Siede-/Schmelzpunkt. Die Bezeichnung Siede-/Schmelztemperatur ist vorzuziehen, da Stoffe bei einer bestimmten Temperatur verdampfen/schmelzen.

Außerdem schmelzen nicht alle Stoffe an einer bestimmten Temperatur, sondern zeigen einen Schmelzbereich (z.B. Schokolade). nach Bader, H.J.; Drechsler, B.; Gerlach, S. (1999): Stärkung durch Kompetenz. Naturwissenschaftliche Inhalte im Sachunterricht unterrichten. Institut für Didaktik der Chemie der Johann Wolfgang Goethe- Universität Frankfurt am Main.

Didaktische Anmerkungen: Da Wasser in seinen drei Aggregatzuständen im Alltag auftaucht, haben Kinder viel Vorerfahrungen zu den verschiedenen Aggregatzuständen. Allerdings werden die einzelnen Aggregatzustände nicht unbedingt dem einen Stoff Wasser zugeordnet.

Sie werden schon in der Sprache getrennt. Man sagt „Eis” zu festem Wasser, „Wasser” zu flüssigem Wasser und „Dampf” zu gasförmigen Wasser. Bei anderen Stoffen hat man diese Trennung in der Sprache nicht z.B. sagt man zu festem Wachs „Wachs” und für flüssigen Wachs gibt es kein eigenes Wort. Für Kinder ist Eis demnach etwas anderes als Wasser.

Zumal auch Speiseeis als „Eis” bezeichnet wird. Die Versuche zu den Aggregatzuständen des Wassers sollen dazu dienen, den Zusammenhang zwischen den einzelnen Aggregatzuständen zu erkennen. Es ist der gleiche Stoff Wasser, obwohl er ganz unterschiedlich aussieht.

  • Bei dem Versuch „Eiswürfel schmelzen” soll deutlich werden, dass das Eis nicht verschwindet, sondern dass nach dem Schmelzen genau so viel Wasser vorhanden ist wie zu Anfang.
  • Wichtig ist auch die Diskussion darüber, dass der Grund für die Aggregatzustandsänderungen in der Temperatur zu suchen ist.
  • Bei einer bestimmten Temperatur liegt Wasser immer in einem bestimmten Aggregatzustand vor.

So ist Wasser aufgrund der Temperaturen in unserer Umgebung meist im flüssigen Zustand zu sehen. Zur Strukturierung dieser Überlegungen hilft ein übersichtliches Schema (siehe Abb.) zu den Aggregatzustandsänderungen. Abb.: Schema zu den Aggregatzuständen des Wassers Man kann in diesem Schema anhand der Temperaturachse die steigende bzw. sinkende Temperatur verfolgen und dabei die entsprechenden Aggregatzustände betrachten. Die farbige Markierung der Pfeile unterstützt die gedankliche Linie.

  1. Man kann auf der Temperaturachse die Schmelz- und Siedetemperaturen ergänzen.
  2. Das Sublimieren und Resublimieren werden in der Grundschule nicht thematisiert.
  3. Besonders schwierig ist das Verständnis des gasförmigen Aggregatzustandes, da Gase nicht zu sehen sind.
  4. Die Kinder haben die Vorstellung, dass das Wasser beim Verdunsten bzw.

Verdampfen zu Luft wird oder verschwindet. Zur Erarbeitung ist es daher von Vorteil, wenn Kinder schon Erfahrungen zum Thema Luft (siehe CHEMOL) gemacht haben und wissen, dass es Gase gibt. Daher sollten die Kinder genau die Vorgänge beim Erhitzen beobachten.

Es entstehen Blasen, die aufsteigen und wenn das Wasser siedet erkennt man „Dampf”. Dieser „Dampf” besteht aus kleinen kondensierten Wassertropfen, die durch die Hitze nach oben getragen werden. Den Wasserdampf kann man hingegen nicht sehen. Es ist nun wichtig, dass der Wasserdampf wieder zu Wasser wird, wenn er abkühlt.

Es ist also der gleiche Stoff, der aber ganz anders aussieht. Für die Erarbeitung eignet sich der Versuch „Wetter I”. Der Versuch „Wetter II” überträgt das Phänomen auf einen größeren Maßstab, wobei die Kinder ihr erlerntes Wissen auf einen anderen Versuchsaufbau anwenden müssen.

  • Es ist hier sinnvoll, eine Reihe vom kleinen, leicht beobachtbaren Versuch über einen größeren Versuchsaufbau hin zum Wetterkreislauf zu diskutieren.
  • Erst wenn die Kinder verstanden haben, dass flüssiges Wasser beim Erwärmen gasförmig wird, kann man die Verdunstung erklären.
  • Bei der Verdunstung ist nämlich nur zu beobachten, dass das Wasser irgendwann weg ist.

Man kann nicht sehen, wo es geblieben ist. Mit dem Vorwissen aus den Verdampfungsversuchen können die Kinder einfacher erkennen, dass Wasserdampf in der Luft enthalten sein muss. Dies kann man prüfen, indem man die Luft abkühlt, z.B. indem man Eis in einen Löffel legt oder ein Glas in den Kühlschrank stellt.

Glas und Stift (oder Glas mit Skalierung z.B. Messbecher) Eiswürfel Leitungswasser

Das Glas wird halbvoll mit Wasser gefüllt. Ein (oder auch mehrere) Eiswürfel werden in das Glas gegeben. Dann wird der Wasserstand mit dem Stift markiert oder der Wert auf der Skala notiert. Nun lässt man solange stehen bis die Eiswürfel geschmolzen sind.

  • Variante: Man gibt einen möglichst großen Eiswürfel in ein Glas.
  • Anschließend füllt man so viel Wasser in das Glas, dass es gerade nicht überläuft.
  • Der Eiswürfel schwimmt an der Wasseroberfläche.
  • Er schmilzt im Wasser und man kann beim genauen Hinsehen erkennen, dass das kältere Wasser in Schlieren zum Boden des Glases fällt.

Der Wasserstand hat sich nicht verändert, nachdem das gesamte Eis geschmolzen ist. Der Eiswürfel schwimmt auf der Wasseroberfläche, da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat. Eis ist Wasser in fester Form. Ab einer Temperatur von 0°C schmilzt es und wird zu flüssigem Wasser.

Der Aggregatzustand ändert sich also von fest zu flüssig. Der Teil des Eises, der sich unter Wasser befindet, verdrängt etwas Wasser (Daher steigt der Wasserspiegel an, wenn man den Eiswürfel in das Wasser gibt). Deshalb und da die Dichte des Wassers höher ist als die des Eises, kommt es im Gefäß nicht zu einer Volumenzunahme.

Bei starker Erwärmung der Erdatmosphäre z.B. durch den Treibhauseffet würde das Eis an den beiden Polen schmelzen. Aktuell war z.B. dieses Frühjahr in Spitzbergen in der Arktis bis zu 13°C zu warm. Das Eis des Nordpols schwimmt im Wasser. Wenn es schmilzt, steigt der Meeresspiegel nicht an, da das Eis schon Wasser verdrängt hat.

Metalldeckel vom Sektflaschenverschluss Glasstab o.ä. (z.B. Grogrührer) Gefrierschrank/-fach Glas Leitungswasser

Mit dem Glasstab wird ein Tropfen Wasser auf den Sektflaschenverschluss gebracht und in den Gefrierschrank gestellt. Man lässt ihn für ca. zehn Minuten im Gefrierschrank stehen (je nach Wassermenge und Gefrierschranktemperatur). Nach dem Herausnehmen beobachtet man den erstarrten Wassertropfen (Eis).

Der Wassertropfen wird im Gefrierschrank fest. Nach dem Herausnehmen wird der Eistropfen wieder flüssig. Wenn man genau beobachtet, werden auch andere Bereiche des Sektflaschenverschlusses feucht. Flüssiges Wasser erstarrt bei 0°C und tieferen Temperaturen zu festem Wasser (Eis). Eis schmilzt ab einer Temperatur von 0°C und höheren Temperaturen zu flüssigem Wasser.

Die Temperatur, bei der der Feststoff schmilzt bzw. der flüssige Stoff erstarrt, nennt man Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur. Wenn man den Deckel mit den flüssigen Wassertropfen ca. eine Stunde (je nach Raumtemperatur und Wassermenge) an der Luft stehen lässt, ist das Wasser verdunstet.

  • Flüssiges Wasser wird zu gasförmigen Wasser (Wasserdampf).
  • Wenn man Leitungswasser verwendet, erkennt man nach dem Verdunsten des Wassers Rückstände auf dem Deckel.
  • Dies sind Salze, die im Leitungswasser gelöst waren und nun zurückbleiben.
  • Man kann diesen Effekt verhindern, indem man destilliertes Wasser verwendet (z.B.

Bügeleisenwasser), da dies reines Wasser ohne gelöste Salze ist.

Glas Kühlschrank oder Gefriertruhe

Ein Glas wird in den Kühlschrank oder in die Gefriertruhe gestellt. Dann nimmt man es heraus und beobachtet an der Luft. Das Glas „beschlägt” an der Luft. Wenn man mit dem Finger über das Glas streicht, ist es feucht. Nach kurzer Zeit ist das Glas wieder trocken und nicht mehr „beschlagen”.

Das Glas wird im Kühlschrank abgekühlt. In der Luft ist Wasserdampf enthalten. An der kalten Oberfläche des Glases kondensiert daher Wasserdampf aus der Luft und wird zu flüssigem Wasser: das Glas „beschlägt”. Wenn das Glas länger an der Luft steht, wird es erwärmt und das flüssige Wasser verdunstet wieder zu Wasserdampf.

Das Kondensieren von Wasserdampf aus der Luft an kalten Gegenständen kann man auch beim „Versuch Wassertropfen erstarren” beobachten. Im Alltag ist dieses Phänomen vielfältig zu beobachten, z.B. „beschlagen” im Winter Brillen, wenn man aus dem Kalten in warme Räume geht.

2 x Metalldeckel eines Sektfaschenverschlusses Grillzange oder Pinzette Glasstab Kerze Streichhölzer destilliertes Wasser (z.B. für Dampfbügeleisen)

Mit dem Glasstab gibt man einen Tropfen destilliertes Wasser auf je einen Metalldeckel. Einen lässt man liegen. Den anderen erwärmt man vorsichtig über eine Kerzenflamme. Der Deckel wird dabei mit einer Grillzange festgehalten. Man kann beobachten, wie das Wasser im zweiten Teil des Versuchs wesentlich schneller verschwunden ist.

  • Bei dem anderen Versuch dauert es mindestens eine Stunde bis das Wasser verschwunden ist.
  • Im ersten Teil dieses Versuchs kann man beobachten, wie das Wasser langsam verdunstet,
  • Der Übergang von flüssig zu gasförmig geschieht bei Temperaturen weit unterhalb der Siedetemperatur,
  • Der zweite Teil des Versuchs zeigt, dass die Energiezufuhr den Übergang von flüssig zu gasförmig beschleunigt.

Man spricht dann von Verdampfen Wenn man Leitungswasser verwendet, findet man nach dem Verdunsten bzw. Verdampfen Rückstände. Dies sind in Wasser gelöste Salze, die zurück bleiben.

Esslöffel Teelicht leere Teelichtschale Drahtgestell eines Sektverschlusses Leitungswasser Eiswürfel

Durchführung In eine leere Teelichtschale wird etwas Leitungswasser gegeben. Diese stellt man auf das Drahtgestell eines Sektverschlusses. Unter das Gestell wird ein Teelicht gestellt und entzündet (siehe Abb), Dann wird das Wasser in der Teelichtschale beobachtet.

Wenn „Dampf” aufsteigt wird ein Eiswürfel auf den Esslöffel gegeben. Dann hält man den Löffel in den „Dampf”. Man kann auch einfach den Löffel ohne Eis über die Teelichtschale halten. Nach ca.2 Minuten (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen. Mit der Zeit werden es immer mehr und nach ca.6 Minuten steigt „Dampf” auf.

Wenn man einen Eiswürfel in den Esslöffel legt, „beschlägt” er von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten) ohne ihn in den „Dampf” zu halten. Wenn man ihn in den „Dampf” hält, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden.

  • Auch ohne Eis im Löffel bildet sich Flüssigkeit unter dem Löffel, die heruntertropft, wenn man ihn schräg hält.
  • Mit Eis bildet sich aber mehr Flüssigkeit.
  • Das Wasser wird durch die Kerzenflamme erwärmt.
  • In Wasser sind verschiedene Gase (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff) gelöst, die sich auch in der Luft befinden.

Durch Erwärmen werden diese Gase ausgetrieben, so dass die ersten Blasen aus in Wasser gelösten Gasen bestehen. Dieses Phänomen der gelösten Gase sollte an dieser Stelle didaktisch reduziert werden. Wird das Wasser weiter erwärmt, sind die Gase ausgetrieben und das flüssige Wasser wird gasförmig.

Dies ist ebenfalls in Form von Blasen zu beobachten, die nun aber aus Wasserdampf bestehen. Allerdings siedet das Wasser anfangs noch nicht. Erst wenn eine Temperatur von 100°C erreicht ist, fängt es an zu sieden, was gut bei einer kleinen Wassermenge zu beobachten ist. Das flüssige Wasser verdampft zu Wasserdampf.

Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist. Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf”, den man aufsteigen sieht. Man sollte diesen „Dampf” eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht.

An der Löffelunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Da am Löffel viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen”. Man kann diesen Versuch mit dem Wetter vergleichen. In der Natur wird das Wasser allerdings nicht bis zum Sieden erwärmt, sondern es verdunstet.

Dieser Unterschied zwischen Versuch und Natur sollte diskutiert werden. Wenn Wasserdampf im Freien aufsteigt, kühlt er sich mit zunehmender Höhe immer mehr ab (Faustregel: 1°C Abkühlung pro 100 m Höhenunterschied). Das Eis im Löffel deutet dieses Phänomen modellhaft an.

Man kann bei diesem Versuch während der Erwärmungszeit die Feuchtigkeitsbildung an der Unterseite des Löffels thematisieren, die sich nach dem Auflegen des Eises bildet. Dies ist für die Kinder schwer zu deuten, wenn dies ein Einstiegsversuch ist. Wenn andere Versuche zu den Aggregatzuständen vorher durchgeführt wurden, kann hier Erlerntes wiederholt werden.

Wenn die Kinder behaupten, dass das Wasser des schmelzenden Eiswürfels über den Rand des Esslöffels läuft und das Wasser an der Löffelunterseite daher stammt, kann man diesen Einwand aufgreifen und eine größere Schale (z.B. Marmeladenglasdeckel) verwenden, die mehr Wasser aufnehmen kann.

Heizplatte Kochtopf gewölbte Metallschale (z.B. Deckel von einer Keksdose) Paketband Dosenstecher Deckenhalter/Kartenhalter Leitungswasser Eiswürfel

Wenn man keine gewölbte Metallschale zur Verfügung hat, kann man sie aus einem Keksdosendeckel herstellen: Man legt sie auf Sand und klopft mit einem runden Gegenstand (z.B. einem runden Stein) eine runde Wölbung hinein. Mit einem Dosenstecher sticht man Löcher in den Rand des Deckels und befestigt das Paketband daran, so dass man den Deckel aufhängen kann.

  1. Das Leitungswasser wird in den Kochtopf gefüllt und mit der Heizplatte erhitzt.
  2. Die Metallschale wird mit den Bändern an einen Deckenhaken oder einen Kartenhalter gehängt.
  3. Wenn Dampf aufsteigt, werden Eiswürfel in die Metallschale gelegt.
  4. Nach einiger Zeit (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen.

Mit der Zeit werden es immer mehr und es steigt Dampf auf. Wenn man Eiswürfel in die Metallschale legt, „beschlägt” sie von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten). Wenn man sie in den Dampf hängt, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden.

  • Es „regnet”.
  • Das Wasser wird durch die Heizplatte erwärmt.
  • Die Erklärung ist identisch wie beim Versuch „Wetter I”.
  • Der Wasserdampf steigt auf und ist zu beobachten.
  • An der Metallschale kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert.
  • Es fängt an zu „regnen”.
  • Dieser Versuch ist eine „Vergrößerung” des Versuches Wetter I.

Die Schüler müssen so das erlernte Wissen aus dem ersten Versuch auf einen neuen Versuchsaufbau übertragen. Diese gedankliche Verknüpfung kann anschließend auf den Wetterkreislauf in der Realität erweitert werden. Auch der umgekehrte Lernweg vom Wetterkreislauf zu den Versuchen ist möglich.

Kunststoffflasche 2 Kartons (z.B. kann man bei Schuhkartons auch Unterseite und Deckel verwenden) Metallschale (z.B. Butterbrotdose oder Kuchenbackform) Schere oder Pricknadel Farben, Kleber, Tonpapier etc. Draht heißes Leitungswasser Eiswürfel

Mit einer Schere trennt man den Flaschenhals ab und schneidet die Flasche der Länge nach durch (kleine ½ L Kunststoffflaschen lassen sich leichter schneiden, da sie dünnere Wände haben), Die Schachtel wird so zurechtgeschnitten oder ausgeprickt, dass man vorne eine Landschaft hat.

  • Man kann die Schachtel auch bemalen oder bekleben.
  • Die zweite Schachtel wird hinter die erste gestellt.
  • Aus Draht werden zwei Halterungen gebogen.
  • Die zwei Halterungen werden in zwei Einschnitte in der Rückwand gehängt und evtl.
  • Mit Klebeband befestigt.
  • In die „Landschaftsschachtel” stellt man nun die Metallform und füllt sie mit heißem Wasser.

Die aufgeschnittene Flasche wird in die Halterungen gehängt und mit Eiswürfeln befüllt. „Dampf” steigt vom heißen Wasser auf. An der Unterseite der halben Flasche bildet sich Flüssigkeitstropfen. Mit der Zeit tropfen einige Tropfen herunter: Es „regnet”.

Das flüssige Wasser verdunstet zu Wasserdampf. Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist. Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf”, den man aufsteigen sieht. Man sollte diesen „Dampf” eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht.

An der Flaschenunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Da an der Flasche viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen”. An der Unterseite der Flasche kann schon Wasser zu beobachten wenn Eis im Löffel liegt, da in der Luft schon Wasserdampf enthalten ist.

  • Dieser kühlt an der kalten Unterseite ab und kondensiert Dieses Modell veranschaulicht den Wasserkreislauf und führt somit den Gedankengang der Versuche zum Wetter I + II weiter und das Fachkonzept der Aggregatzustände wird nochmals wiederholt.
  • Die Kinder können selber basteln und müssen sich dabei Gedanken über die Gestaltung machen, z.B.

wie soll die Landschaft aussehen? Wo befindet sich das Wasser, wo befindet sich z.B. das Watt, die Berge usw.? Man sollte auf jeden Fall das Modell mit der Realität vergleichen. Den einzelnen Bestandteilen des Modells und den Beobachtungen sollten entsprechend die Aspekte des Wasserkreislaufs gegenübergestellt werden (siehe Tab.1).

Modell Realität
Wasser in der Metallschale Seen, Nordsee (Wattenmeer), allgemein Meere
Flasche mit Eis kühle Luft in oberen Luftschichten
Verschiedene Landschaftsbereiche Berge, Marsch etc.
Kondenstropfen an der Flasche Wolkenbildung
herabfallende Wassertropfen Regen

Tab.1: Beispiel für ein Vergleich von Modell und Realität Ein zusätzlich gemaltes Bild des Wasserkreislauf fördert nochmals den Vergleich von Realität und Modell. Aggregatzustände Zyklische Abläufe der Natur. Die Schere wird beim Schneiden der Plastikflasche schnell stumpf.

Welcher Aggregatzustand ist eine Wolke?

Infoblatt Wolken – Entstehung und Arten von Wolken Cirrus fibratus, fischgrätenartige Eiswolken (Mühr) Wolken haben viele Funktionen. Sie bringen z.B. oft Niederschläge, beeinflussen die Stärke des Sonnenscheins und damit auch die Höhe der Temperatur. Anhand ihres Aussehens können Rückschlüsse auf die Wetterentwicklung gezogen werden. Das gasförmige Wasser in der Atmosphäre ist nicht sichtbar, aber man kann die Luftfeuchtigkeit mittels eines Hygrometers erkennen. In einen Kubikmeter Luft passt nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf; dies wird mit der maximalen Luftfeuchtigkeit in g/cm³ angegeben.

  1. Dieser Wert ist auch von der Temperatur abhängig: je wärmer die Luft, umso größer ist die maximale Luftfeuchtigkeit.
  2. Selbstverständlich kann in einem Kubikmeter Luft auch weniger Wasserdampf enthalten sein als die maximale Luftfeuchte vorgibt.
  3. Die Menge des tatsächlich enthaltenen Wasserdampfes wird als absolute Luftfeuchte bezeichnet.

Häufig wird die Luftfeuchtigkeit in Prozent angegeben – so auch auf dem Hygrometer. Dies ist die relative Luftfeuchte. Sie gibt den prozentualen Anteil des tatsächlich enthaltenen Wasserdampfes an der maximalen Luftfeuchte an. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit einen Wert von 100 % erreicht, ist die absolute Luftfeuchte genauso hoch wie die maximale.D.h. in einem Kubikmeter Luft ist so viel Wasserdampf enthalten, wie höchstens aufgenommen werden kann. Die Luft ist gesättigt.

  • Dabei geht der gasförmige Wasserdampf in den flüssigen Zustand über – er kondensiert.
  • Bei der Entstehung von Wolken geschieht der gleiche Vorgang.
  • Wie entstehen Wolken? Wolken entstehen durch die Sonneneinstrahlung.
  • Nur weil die Sonne das Wasser auf der Erdoberfläche zum Verdunsten bringt, können sich Wolken bilden.

Dies ist mit kochendem Wasser im Alltag zu vergleichen: Genau wie hier der Wasserdampf nach oben steigt, steigt auch das auf der Erde verdunstete Wasser empor. Dieser Vorgang ist in der Natur unsichtbar, weil nur der Wasserdampf aufsteigt. Im Topf steigt auch noch Flüssigkeit mit auf, daher wird der Dampf sichtbar.

Auf dem Weg nach oben kühlt der Wasserdampf ab. Je kälter die Luft wird, desto weniger Wasser kann sie speichern, die relative Luftfeuchte steigt an. Bei einer bestimmten Temperatur ist der relative Anteil an Wasserdampf so hoch, dass die Luft gesättigt ist. Diese Temperatur wird als Taupunkt bezeichnet.

Jetzt kondensiert das Wasser. Dazu werden aber noch kleine Staubpartikel benötigt, an denen das Wasser kondensieren kann (Kondensationskerne). Um diese Kerne lagern sich immer mehr kleine Wassertropfen an und die Wolke wird größer. Ist es unter 0 °C, so bilden sich an Stelle der kleinen Wassertropfen durch Sublimation Eiskristalle.

  • Je kleiner die Wolken sind, desto weiter oben werden sie in der Atmosphäre gehalten.
  • Wie kommt es zu Regen aus den Wolken? Ein kleiner Wolkentropfen wird umso größer, je mehr Wasserdampf an ihm kondensiert.
  • Stoßen mehrere solcher kleinen Wolkentropfen zusammen, so bilden sich größere Tröpfchen (bis zu 0,5 mm).

Ab dieser Größe kann man schon von Regentropfen sprechen. Da die Tropfen auch an Gewicht gewonnen haben, können sie von der Luft nicht mehr gehalten werden. Sie fallen als Niederschlag auf die Erde. Ein Regentropfen kann nicht größer als 5 mm werden, weil er sonst in mehrere kleine Regentropfen zerfällt.

Die Temperatur in der Wolke bestimmt, ob der Niederschlag als Nieselregen, Regentropfen, Graupel oder gefrorene Kristalle die Wolke verlässt. Auf ihrem Weg zur Erde können Schneeflocken schmelzen, wenn die Lufttemperatur hoch genug ist. Auf der anderen Seite kann der Regen auch gefrieren, wenn es sehr kalt ist.

Letztendlich entscheidet aber die Lufttemperatur direkt über der Erdoberfläche, ob der Niederschlag als Schnee oder als Regen fällt und ob Schnee liegen bleibt. Wie kann man Wolken einteilen? Grundlegend werden Wolken nach ihrer Höhenlage eingeteilt. Es werden hohe (7 – 13 km, Cirruswolken), mittelhohe (2 – 7 km, Altowolken) und tiefe (0 – 2 km, Stratuswolken) Wolken unterschieden.

  1. Außerdem existieren auch Wolken, die alle drei Höhenbereiche umfassen (z.B.
  2. Cumuluswolken).
  3. Diese vier Wolkenstockwerke bilden die Wolkenfamilien.
  4. Cirro” ist die Vorsilbe für hohe Wolken.
  5. Sie sind dünn und federartig und bringen keinen Niederschlag mit sich.
  6. Da es sich um sehr hohe Wolken handelt, bestehen sie aus Eiskristallen.

“Alto” steht für mittelhohe Wolken und “Strato” für besonders tiefe Wolken. Stratuswolken werden in Schichten oder zusammenhängenden Massen gebildet und bringen meist nur schwachen Regen oder Nieselregen mit sich. Stärkeren Regen bringen Altostratuswolken.

  1. Das sind Schichtwolken in mittlerer Höhe.
  2. Die Vor- oder Nachsilbe “Nimbo” bedeutet, dass in dieser Wolkenart Regen entsteht.
  3. Diese Wolken haben eine sehr große vertikale Ausdehnung.
  4. Cumuluswolken (Schäfchenwolken) verfügen auch über eine große vertikale Ausdehnung.
  5. Sie bringen jedoch in unseren Breiten keinen Niederschlag.

Vielmehr sind sie Indikatoren für eine Wetterbesserung. In jeder Wolkenfamilie gibt es mehrere Wolkengattungen: Wolkengattungen (Klett)

Name (Gattung) Arten Aussehen Höhe (km) Wetter und Vorkommen
Cirrus (Ci) Feder- / Eiswolken fibratus, fib uncinus, unc spissatus, spi castellanus, cas floccus, flo faserig hakenförmig dicht türmchenartig flockig 7 – 13 kein Niederschlag, vor Warmfront
Cirrocumulus (Cc) kleine Schäfchenwolke stratiformis, str lenticularis, len castellanus, cas floccus, flo schichtförmig linsenförmig türmchenartig flockig 7 – 13 kein Niederschlag
Cirrostatus (Cs) hohe Schleierwolke fibratus, fib nebulosus, neb faserig nebelartig 7 – 13 kein Niederschlag, vor Warmfront
Altocumulus (Ac) größere Schäfchenwolke stratiformis, str lenticularis, len castellanus, cas floccus, flo schichtförmig linsenförmig (Föhnwolke) türmchenförmig flockig 2 – 7 kein Niederschlag, im Warmsektor
Altostratus (As) mittelhohe Schichtwolke 2 – 7 Regen (Landregen), Schnee, Eis, vor und in der Warmfront
Stratocumulus (Sc) Haufenschicht- wolke stratiformis, str lenticularis, len castellanus, cas schichtförmig linsenförmig türmchenförmig 0 – 2 schwacher Regen, Schnee, Graupel, im Warmsektor
Stratus (Sc) tiefe Schichtwolke nebulosus, neb fractus, fra nebelartig fetzenartig 0 – 2 Sprühregen, Schneegriesel
Nimbostratus (Ns) Regenwolke 0 – 13 Regen, Schnee, Eis, in der Kaltfront oder Warmfront
Cumulus (Cu) Schönwetter – Haufenwolke humilis, hum mediocris, med congestus, con fractus, fra niedrig mittelgroß blumenkohlartig / mächtig aufgetürmt fetzenartig 0 – 13 wenig Niederschläge, Regen aus einigen Cu con (in den Tropen), bringen Wetter- besserung, nach der Kaltfront
Cumulonimbos (Cb) calvus, cal kahl 0 – 13 Regen, Schnee, Graupel, Hagel, Gewitter, in der Kaltfront

Quelle: Geographie Infothek Autor: Matthias Forkel Verlag: Klett Ort: Leipzig Quellendatum: 2004 Seite: www.klett.de Bearbeitungsdatum: 01.03.2012

Welchen Aggregatzustand hat Licht?

Forscher haben einen neuen „Aggregatzustand” des Lichts entdeckt – einen zuvor unbekannten Phasenübergang in einem Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen. Bei diesem bilden tausende Lichtteilchen eine Art „Super-Photon” aus koordiniert und einheitlich reagierenden Photonen.

  1. Dieses Gebilde kann unter bestimmten Bedingungen in einen neuen, „überdämpften Zustand” übergehen, wie nun ein in „Science” beschriebenes Experiment erstmals belegt.
  2. Normalerweise sind Lichtteilchen eher unabhängig und lassen sich nicht so leicht von ihresgleichen beeinflussen.
  3. Deshalb können sich Lichtstrahlen normalerweise kreuzen, ohne sich zu behindern.

Doch bestimmte Bedingungen können Photonen dazu bringen, miteinander wechselzuwirken – beispielsweise in einem optischen Bose-Einstein-Kondensat. In diesem „Super-Photon” verhalten sich die Photonen einheitlich und wie ein einziges großes Teilchen und lassen sich durch eine einzige Wellenfunktion beschreiben.

See also:  Wie Viele Planeten Gibt Es?

Ist Plasma flüssig?

Das Plasma, auch Plasmazustand genannt, wird häufig neben fest, flüssig und gasförmig als 4. Aggregatzustand bezeichnet, weil es einige spezifische Eigenschaften besitzt, die Stoffe in den drei Aggregatzuständen nicht haben. Plasma lässt sich in unterschiedlicher Weise herstellen und existiert auch in der Natur.

Wie sieht Plasma aus?

Welche Farbe hat Plasma? – Blutplasma ist üblicherweise eine gelblich klare Flüssigkeit, wird deshalb auch manchmal “gelbes Blut” geannt. Die Farbe des Plasmas verändert sich dabei je nach Trinkmenge, Ernährung und Hormonhaushalt – aber auch aufgrund des Eiweißgehalts und anderen Faktoren.

Wenn das Plasma milchig-weiß ist, gilt es als verfettet (lipämisch) und wird nicht zur weiteren Verarbeitung freigegeben. Das könnte die Folge eines gestörten Fettstoffwechsels sein oder wenn der Spender unmittelbar vor der Spende sehr fettreich gegessen hat. Du solltest also vor der Spende unsere Tipps zur Vorbereitung beachten, damit dies nicht passiert.

Auch bei einer rötlichen Färbung wird das Blutplasma nicht verwendet, wenn rote Blutkörperchen geplatzt sind und sich zersetzt haben (Hämolyse). Viele Verfärbungen sind jedoch unbedenklich, da Medikamente oder Nahrungsergänzungsmittel der Grund sein können.

Kann Wasser zu Plasma werden?

Elektronen werden herausgeschlagen – “Unsere Heizung ist ganz anders”, betont Caleman. “Der energiereiche Röntgenblitz schlägt die Elektronen aus den Wassermolekülen hinaus und zerstört so die Balance der elektrischen Ladung. Die Atome spüren plötzlich eine starke abstoßende Kraft und beginnen, sich heftig zu bewegen.” In nur 75 Femtosekunden oder 0,000.000.000.000.075 Sekunden werde das flüssige Wasser zu Plasma.

Dieses wird auch als vierter Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig bezeichnet. Plasma ist ein Aggregatzustand der Materie, bei dem Elektronen von den Atomen gelöst wurden. Es entsteht eine Art elektrisch geladenes Gas. “Während aus dem flüssigen Wasser ein Plasma entsteht, behält es jedoch die Dichte des flüssigen Wassers bei, da die Atome noch keine Zeit hatten, sich nennenswert zu bewegen”, erklärt Ko-Autor Olof Jönsson von der Universität Uppsala.

Dieser exotische Zustand kommt auf der Erde nirgends natürlicherweise vor. “Er hat ähnliche Eigenschaften wie einige Plasmen in der Sonne und im Gasriesen Jupiter, hat aber eine geringere Dichte”, sagt Jönsson. “Dabei ist er heißer als der Erdkern.” Die Forscher hatten am US-Forschungszentrum SLAC ultrakurze und hochintensive Röntgenblitze mit dem Freie-Elektronen-Laser LCLS auf einen feinen Wasserstrahl geschossen.

Ist Glass flüssig?

Definition und Zusammensetzung – Das Glas, das wir heute als Baumaterial verwenden, wird auf Grund seiner Zusammensetzung Kalk-Natron-Silikat- glas genannt. Bei der Herstellung werden die Rohstoffe erhitzt. Durch den nachfolgenden Kühlprozess haben die Ionen und Moleküle keine Möglichkeit, sich zu ordnen.

  • Silizium und Sauerstoff können sich nicht zu Kristallen zusammenschliessen, der ungeordnete Molekülzustand wird „eingefroren”.
  • Glas besteht daher aus einem unregelmässig räumlich verketteten Netzwerk aus Silizium (Si) und Sauerstoff (0) in dessen Lücken Kationen eingelagert sind.
  • Wird Glas auf etwa 1000 °C erhitzt und diese Temperatur eine gewisse Zeit gehalten, beginnt eine so genannte Entglasung.

Dabei entstehen Siliziumkristalle, die von der eigentlichen Glasmasse abgesondert werden. Dieser Vorgang führt zu milchig opakem Glas. Glas ist kein Festkörper im chemisch- physikalischen Sinne, eher eine erstarrte Flüssigkeit. Die Moleküle sind ungeordnet und bilden kein Kristallgitter.

Oft wird dieser Umstand als Grund für die Transparenz des Stoffes genannt. Daneben gibt es aber noch weitere Theorien. Eine führt zum Beispiel die Transparenz auf die Tatsache zurück, dass Siliziumoxid eine sehr stabile Verbindung ist, die keine freien Elektronen aufweist, die mit der Lichtstrahlung wechselwirken können.

Da Glas aus verschiedenen Verbindungen besteht, gibt es keine chemische Formel für die Berechnung der physikalischen Eigenschaften. Glas hat keinen Schmelzpunkt, wie das von anderen Stoffen, etwa von Wasser bekannt ist, das oberhalb von 0 °C flüssig ist und unterhalb von 0 °C zu Eis kristallisiert. Schematische Darstellung der Eigenschaftsänderungen (fest/flüssig) bei kristallinen und glasigen Substanzen Der Umstand, dass Glas zu Recht als eingefrorene Flüssigkeit bezeichnet wird, führt oft zur Meinung, Glas würde auch im erstarrten Zustand stetig, wenn auch nur sehr langsam fliessen.

  1. Eine senkrecht stehende Glasscheibe würde nach einem genügend grossen Zeitraum (nach Jahrzehnten oder Jahrhunderten) am unteren Ende messbar dicker werden.
  2. Dem ist aber nicht so.
  3. Es gilt heute als wissenschaftlich erwiesen, dass ein Glaskörper bei Gebrauchstemperaturen seine Form durch die eigene Schwergewichtsbelastung nicht verändert, es sei denn es handelt sich um eine Durchbiegung im statischen Sinn.

Im Vergleich zu vielen Kristallen, hat Glas eine amorphe Isotropie, d.h. die Eigenschaften sind unabhängig davon, in welcher Richtung sie gemessen werden.

Was ist der Aggregatzustand von Glas?

Erklärt: Was genau ist Glas? Mysteriöses Material: Manche Wissenschaftler beschreiben Glas als gefrorene Flüssigkeit. Foto: Günther Gumhold / www.pixelio.de 10. Juni 2014 | Verglaste Fenster haben sich in Europa erst seit dem Mittelalter durchgesetzt. Dabei ist der Werkstoff deutlich älter.

Schon im zweiten Jahrtausend vor Christus haben die alten Ägypter Glas zu Gefäßen verarbeitet. Doch trotz dieser langen Geschichte haftet dem Material nach wie vor etwas Mysteriöses an, denn bis heute sind sich die Wissenschaftler nicht einig, was genau Glas eigentlich ist. Das Material ist nämlich einerseits fest, verfügt aber andererseits über Eigenschaften, die eher typisch für Flüssigkeiten sind.

Chemisch betrachtet hat Glas einen Teilchenaufbau, der irgendwo zwischen dem festen und flüssigen Aggregatzustand liegt. Vom deutsch-baltischen Chemiker Gustav Tamman stammt folgende Definition aus dem Jahr 1933: “Der Glaszustand ist der eingefrorene Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit, die ohne zu kristallisieren erstarrt ist”.

  • Glas als eingefrorene Flüssigkeit? Klingt irgendwie seltsam, oder? Es wird allerdings verständlicher, wenn man sich die Herstellung von Glas genauer anschaut.
  • Es gibt heute hunderte verschiedener Glassorten, aber sie entstehen alle, indem man Feststoffe zunächst bei Temperaturen von etwa 1.400 Grad Celsius schmilzt und anschließend wieder sehr schnell abkühlt.

Traditionell werden dafür mineralische Rohstoffe verwendet. Normales farbloses Fensterglas besteht zu rund 70 % aus Quarzsand (Siliziumdioxid) sowie aus Soda (13 %) und Kalk (10 %). Hinzu kommen geringe Anteile an Dolomit, Feldspat und Pottasche (siehe Fachwissenbeitrag ).

  1. Dabei wirkt der Quarzsand als eigentlicher Glasbildner, während die übrigen Bestandteile Funktionen als Schmelzbeschleuniger, Flussmittel oder Stabilisatoren übernehmen.
  2. Bei all diesen Zutaten handelt es sich um Gesteine beziehungsweise um Gesteinsbestandteile und damit um anorganische Festkörper.
  3. Diese haben die Eigenschaft, dass sie auf Teilchenebene eine Kristallstruktur haben.

Sie bestehen also aus Atomen oder Molekülen, die in einer regelmäßigen, festen Struktur angeordnet sind. Werden diese Feststoffe nun geschmolzen, dann bricht die Kristallstruktur auf und es entsteht eine flüssige Schmelze. Damit ist ein so genanntes amorphes Material entstanden (griechisch “amorph” = “ohne Gestalt”).

Die Moleküle der Schmelze haben – wie alle Flüssigkeiten – eben keine feste Kristallstruktur, sondern bilden ein eher chaotisches, unregelmäßiges Muster aus. Übrigens gibt es auch natürliches Glas, das also nicht vom Menschen produziert wurde. Es entsteht aus Sanden, die durch Naturereignisse wie Vulkanausbrüche, Blitzeinschläge oder Meteoriteneinschläge geschmolzen wurden.

So ist Bimsstein zum Beispiel vulkanischen Ursprungs. Die ersten Gläser, die der Mensch zum Bau von Werkzeugen verwendet hat, waren wahrscheinlich solche natürlichen Gläser. Fensterglas wird hauptsächlich aus Quarzsand hergestellt. Foto: Andreas Hermsdorf / www.pixelio.de Das Erstaunliche am Prozess der Glasherstellung ist aber nicht das Schmelzen der Rohstoffe, sondern das, was passiert, wenn man die Schmelze sehr schnell wieder abkühlt.

  1. Aus Quarzsand wird dann Quarzglas.
  2. Das fühlt sich zwar fest an, ist aber chemisch betrachtet ein amorphes Material – es ähnelt also von seiner Teilchenstruktur einer Flüssigkeit! Man muss sich das etwa so vorstellen: Wenn die Gesteinsschmelze erstarrt, beginnt sie zwar wieder eine Kristallstruktur auszubilden, aber diese Kristallisation wird nicht abgeschlossen, weil der Erstarrungsprozess einfach zu schnell verläuft.

Glas ist also fest, aber die Glas-Atome beziehungsweise -Moleküle sind untereinander nicht in einer regelmäßigen Kristallstruktur angeordnet. Insofern bringt es die oben genannte Definition von Glas als “eingefrorener Flüssigkeit” eigentlich ganz gut auf den Punkt.

  1. Etwas lapidar könnte man auch sagen: Glas ist schockgefrostete Gesteinsschmelze.
  2. Manche Wissenschaftler bezeichnen Glas sogar ausdrücklich als Flüssigkeit und behaupten, dass das Material “fließen” würde.
  3. In der Welt der Mikroteilchen mag das auch stimmen, aber um Missverständnissen vorzubeugen: Man kann in Glas keine fließenden Bewegungen wahrnehmen, egal wie lange man es anstarrt.

Die Wissenschaftler meinen mit dem Fließen auch etwas anderes: Die Glasmoleküle bewegen sich in einem sehr langsamen Tempo hin zu einem geordneten kristallinen Zustand. Das geht aber wirklich so langsam, dass wir es weder sehen können noch jemals erleben werden, das ein Stück Glas komplett auskristallisiert ist.

Ist Resublimieren?

Als Resublimieren bezeichnet man in der Thermodynamik das unmittelbare Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand, Den Vorgang selbst bezeichnet man als Resublimation, Desublimation, Solidifikation oder auch Deposition,

Ist Plasma gefährlich?

Kalte atmosphärische Plasmen – Plasma ist ein teilweise ionisiertes Gas. Elektrische Lichtbögen, dielektrische Barrieren, Korona und piezoelektrische Direktentladungen ionisieren Gase bei Atmosphärendruck und erzeugen Plasmen. Die geladenen Teilchen – die Elektronen und die Ionen – beschleunigen innerhalb der Entladungsfelder auf hohe Energien.

  • Nur ein kleiner Teil der Gasmoleküle wird in die energetischen Elektronen und Ionen umgewandelt, der Rest des Gases bleibt neutral und kalt.
  • Bei der piezoelektrischen Direktentladung erreicht die Temperatur nur 30-50 °C.
  • Diese Temperaturen schädigen auch empfindliche Oberflächen nicht.
  • Während das Plasma kalt bleibt, kollidieren die sehr energiereichen Elektronen und Ionen mit den Gasmolekülen und produzieren große Mengen an kurzlebigen chemischen Spezies, wie atomaren H-, N- und O-Spezies, OH- und ON-Radikalen, Ozon, Salpetrige und Salpetersäure sowie verschiedenen anderen Molekülen in metastabilen angeregten Zuständen.

Sie machen dieses Plasma chemisch sehr aktiv. Das sehr effektive Plasma ist ein kaltes Plasma, es überhitzt die Oberfläche nicht. Die Behandlung erstreckt sich nur auf eine wenige Nanometer dicke Schicht an der Oberfläche und verändert die Oberfläche optisch nicht.

  1. Es werden keine giftigen Chemikalien verwendet und die vom Plasma produzierten reaktiven chemischen Spezies zerfallen innerhalb von Millisekunden nach der Behandlung.
  2. Das macht die Plasmabehandlung sicher und umweltfreundlich.
  3. Bei Kontakt mit der behandelten Oberfläche löst das chemisch aktive, kalte atmosphärische Plasma eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen aus.

Hauptreaktionsmittel sind hochreaktive, kurzlebige, neutrale chemische Spezies, die vom Plasma in großen Mengen produziert werden. Wenn die elektrische Entladung die behandelte Oberfläche berührt, wird diese ebenfalls mit VUV-Licht bestrahlt und von den energiereichen Elektronen und Ionen beschossen.

P lasma reinigt die Oberfläche: Plasma bricht organische Bindungen schwerer organischer Moleküle auf und erzeugt leichtere und flüchtigere Moleküle, die von der Oberfläche verdunsten. Darüber hinaus oxidieren reaktive chemische Spezies organische Verunreinigungen unter Bildung von Kohlenstoffoxiden und Wasserdampf. Da durch die Plasmabehandlung Verunreinigungen bricht und sie in Dampf umwandelt, bleiben keine Rückstände auf der Oberfläche zurück, so dass diese im ultrafeinen, sauberen Zustand verbleiben. Plasma reduziert Metalloxide : Plasmaentladungen, die im Formiergas gezündet werden und typischerweise 5 % Wasserstoff und 95 % Stickstoff enthalten, produzieren große Mengen an reaktiven Wasserstoffspezies. Durch Kontakt mit oxidierten Metalloberflächen reagieren sie mit Metalloxiden und reduzieren diese zu Metallatomen und Wasserdampf. Plasma verstärkt die Oberfläche: Mit der erhöhten Behandlungsstärke entfernt Plasma schwache Oberflächenschichten im Nanometer-Bereich mit dem niedrigsten Molekulargewicht. Die aufgebrochenen Bindungen der Polymere vernetzen sich und bilden eine stärkere Oberflächenschicht. Plasma induziert einen Phasenübergang und eine Spaltung der Polymermoleküle: Mit einer weiter erhöhten Behandlungsstärke induziert das Plasma einen Phasenübergang von der kristallinen zur amorphen Struktur der Oberflächenschicht. Letzteres diffundiert leicht in den Klebstoff und erhöht die Festigkeit der Diffusionshaftung. Außerdem bricht das Plasma die Polymermoleküle, indem es ihre scherenförmigen offenen Enden auf der behandelten Oberfläche freilegt. Dadurch wird die Diffusionsklebkraft weiter erhöht. Plasma lagert chemisch funktionelle Gruppen ab und erhöht die Benetzbarkeit der Oberfläche: Durch die Reaktion mit den Polymermolekülen lagern Plasmaspezies Polare Polare Wechselwirkungen sind starke und langreichweitige Wechselwirkungen zwischen Molekülen, die auf elektrostatischer Anziehung basieren. ” href=”https://www.relyon-plasma.com/glossary/polare-wechselwirkungen/” target=”_blank” data-gt-translate-attributes=””>polare OH- und ON-Gruppen auf der gereinigten Oberfläche ab, wodurch die Energie der Oberfläche und ihre Benetzbarkeit deutlich erhöht werden. Als Ergebnis benetzt die nachträglich aufgebrachte Farbe die Oberfläche effizient und füllt durch die Kapillarwirkung die Mikrostrukturen auf. Plasma raut die Oberfläche mikroskopisch auf: Elektrische Entladungen mit direktem Kontakt zum Substrat, insbesondere die auf dem Metallsubstrat brennenden Lichtbögen, wenn dieses als Kathode verwendet wird, erodieren die Substratoberfläche im Mikrometermaßstab. Dadurch entstehen Mikrostrukturen, die von den Klebstoffen gefüllt werden und deren mechanische Bindung an das Substrat verbessern.

Ist Plasma ein Gas?

Plasmatechnologie Plasma ist ein Zustand der Materie. Es wird häufig als der vierte Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig bezeichnet. Ein Plasma ist dabei ein – je nach Bedingungen teilweise oder vollständig – ionisiertes Gas, welches neben geladenen Teilchen, wie Ionen und Elektronen, auch ungeladene Atome und Moleküle enthalten kann.

Um ein Plasma zu erzeugen, muss Materie Energie zugeführt werden, die für eine Ionisation ausreicht, d.h. Elektronen aus den Atomen freisetzt. Während die drei ersten Zustände fest, flüssig und gasförmig durch die Temperatur eines Stoffes bestimmt sind, kann die Ionisation eines Gases zum Plasma durch sehr hohe Temperaturen oder durch ein elektrisches Feld ausgelöst werden.

Deshalb wird Plasma auch Gasentladung genannt. Weitere Erklärungen finden Sie u.a. hier: – Natur und Nutzen

Wo kommt Plasma in der Natur vor?

Das wohl größte Plasma in unserer Nähe ist die Sonne, Sie ist nichts anderes als ein gigantischer Plasmaball. Auch die von Ihr ausgesandten Sonnenwinde befinden sich im Plasmazustand. Treffen Sie auf die obere Erdatmosphäre, kann man ein beeindruckendes Schauspiel erleben – Polarlichter,

Sonne mit Korona Quelle: SOHO (ESA&NASA) Polarlichter Quelle: United Air Force, photo by Senior Airman Joshua Strang Blitz Quelle: U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr.

Plasmen und insbesondere solche, die mit elektrischen Entladungen erzeugt werden, sind technisch z.B. für die Behandlung von Oberflächen nutzbar. Die geladenen Teilchen können durch Elektronen in dem Gas selbst Moleküle anregen oder spalten. Es entsteht eine chemisch hochaktive Umgebung, die – je nach chemischen Bestandteilen des Plasmas – chemische Modifizierungen hervorrufen kann oder zur Abscheidung neuer Verbindungen auf der Oberfläche führt.

Wo wird Plasmatechnologie genutzt?

Plasma wird auf Grund seiner Wirkung auf Oberflächen und seiner Eigenschaften sehr vielfältig genutzt. Zum einen können Oberflächen durch direkte Plasmaeinwirkung gereinigt und in Ihrer Struktur und Ihren daraus resultierenden Eigenschaften verändert werden, zum anderen nutzt man den Plasmazustand von Gasen und verdampften Substanzen zur Erzeugung hauch dünner Schichten, wodurch gewünschte Oberflächeneigenschaften hervorgerufen werden.

Architekturglas
Architekturglas wird zur Wärme-Dämmung mit nanometer-dünnen Schichten überzogen. Aber auch elektromagnetische Abschirmung, Filterwirkung, Verspiegelung und Anti-Reflexwirkung sind gefragte Eigenschaften, die durch Plasmatechnologie ermöglicht werden.

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Automobilindustrie In der Automobilindustrie finden sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Plasma. Viele Bauteile im Automobilbau und insbesondere in der Antriebstechnik bedürfen einer sehr hohen Härte, geringem Verschleiß und guten Reibeigenschaften, die durch Plasmatechnologie ermöglicht werden. Plasma wird verwendet, um die Verglasungen mit Antireflex, UV-Schutz und Dämmeigenschaften auszustatten. Für Klebe- und Lackierprozesse wird Plasma häufig zur Aktivierung der Oberfläche eingesetzt, um die gewünschten Haftfestigkeiten zu erreichen. In der Automobilindustrie spielt zunehmend auch mittels Plasmatechnologie hergestellte Sensorik (MEMS) eine bedeutende Rolle.

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Biotechnologie & Life Science Biotechnologie& Lifescience: © Fraunhofer IST, Falko Oldenburg In der Biotechnologie und den Lebenswissenschaften spielen Beschichtungen insbesondere dort eine Rolle, wo lebende Organismen nicht oder eben gerade gut anhaften sollen, aber auch dort wo Keime reduziert oder Flüssigkeiten rückstandsfrei prozessiert werden sollen. Anwendungsfelder sind die Mikrobiologie, Mikrofluidik und die Diagnostik. Hier spielen insbesondere durch Plasmatechnologie ermöglichte Antihaftbeschichtungen, hydrophobe & hydrophile Oberflächen sowie antibakterielle Oberflächen eine große Rolle. Auch für die Erzeugung biofunktionalisierter Oberflächen kann Plasma nützlich sein. Plasma kann zur Desinfektion von Oberflächen genutzt werden. Außerdem wird die Wirkung von Plasma auf lebende Organismen mit viel Interesse verfolgt.

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Chemische Industri e In der chemischen Industrie kann Plasma zur Oberflächenreinigung und Beseitigung von organischen Resten in der Feinstreinigung angewendet werden. Die Chemische Industrie liefert die Material-Grundlage für die Plasmatechnologie – angefangen von Targets für physikalische Abscheideverfahren bis hin zu Precursoren für chemische Abscheideverfahren der Dünnschichttechnik.

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Druckindustrie Für das Bedrucken von Materialien müssen sehr gute Haftungseigenschaften zwischen Untergrund und Druckmittel erreicht werden. Insbesondere Kunststoffe, aber auch andere Materialien müssen daher vor dem Bedrucken an der Oberfläche aktiviert werden, um ein haltbares Druckergebnis zu erzielen. Dazu wird eine Vorbehandlung mit Plasma durchgeführt.

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Elektronikindustri e Die erste breite industrielle Anwendung von Plasma war die Fertigung von elektronischen Bauelementen. Diese werden immer kleiner und feingliedriger. Ihr Aufbau erfordert das Herausätzen von Strukturen aus Silizium-Wafern. Ursprünglich erfolgte dies nasschemisch, später auf Grund von gestiegenen Anforderungen im Plasma. Wichtig sind auch dünne Schichten, die durch Plasmatechnologie erzeugt werden können. Vielfältige magnetische, optische, isolierende und leitfähige Schichten sind notwendig, um Datenspeicher, Displays und elektronische Bauteile, wie Schalter und Kondensatoren zu erzeugen. Besonders eindrucksvolle Strukturen werden in sogenannten MEMS realisiert, die z.B. als Beschleunigungssensoren alltäglich eingesetzt werden.

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Edelstein Industri e Diamanten können im Plasmareaktor synthetisch hergestellt werden und finden dann vielfältigen Einsatz u.a. als Schneidwerkzeug, in der Optik und in der Schmuckindustrie. > In Europas größtem Diamantbeschichtungs-zentrum der CemeCon wird beim Hot-Filament-Verfahren aus Gas Diamant erzeugt. Dabei werden bis zu 4 Karat Diamant pro Stunde hergestellt. ©Cemecon

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Energietechnik Energietechnik ist derzeit ein sehr wichtiges und hoch innovatives Arbeitsfeld. Unter anderem die Solarenergie spielt hier eine wichtige Rolle. Für die etablierten waferbasierten Photovoltaik-Module sind Plasma-Beschichtungen zur Reflexiosminderung und zur Oberflächenpassivierung unverzichtbar. Dünnschicht-Module sind ein großer Hoffnungsträger für eine zukunftsfähige Energieversorgung. Zu deren Herstellung wird vielfach Plasmatechnologie genutzt. Aber auch das Problem der Energiespeicherung wird weiter durch neue Plasmatechnologien vorangetrieben. Im Bereich der Windenergie sind Funktionsbeschichtungen für Rotoren und andere Bauteile zur Verminderung von Reibung und Verschleiß in Windkraftanlagen unverzichtbar.

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Kunststoffindustrie Sowohl die Verarbeitung von Kunststoffteilen als auch die Erzeugung von Kunststoffbeschichtungen ist eng mit Plasmatechnologie verbunden. Plasma wird eingesetzt um die Bedruckbarkeit von Kunststoffen und Kunststofffolien zu ermöglichen. Das Verkleben von Kunststoffen sowie die Aktivierung von Kunststoffoberflächen zur anschließenden Funktionalisierung und Beschichtung wird durch Plasmatechnologie ermöglicht. UV-Schutzschichten für Kunststoffe, Haft- und Antihaftschichten werden vielfältig eingesetzt. Aber auch die Plasmapolymerisation eröffnet zahlreiche Möglichkeiten zur Erzeugung dünner polymerer Funktionsschichten insbesondere auch auf temperaturempfindlichen Substraten. Hierbei können unter anderem kratzresistente, nichthaftende oder schmutzabweisende Schichten erzeugt werden. Weiterhin sind Beschichtungen zur Erhöhung der Gasbarriere von Folien realisierbar.

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Lackierindustri e In Bereich des Lackierens wird Plasma zum einen zur Oberflächenaktivierung für eine bessere Haftung der Lacke genutzt und zum anderen zur Oberflächenreinigung vor dem Lackieren. Aber auch die Auftragung einer haftvermittelnden Schicht zwischen Substrat und Lack ist möglich. UV-Lacke können durch Plasma kratzbeständiger und härter gestaltet und der Vernetzungsprozess des Lackes begünstigt werden.

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Lebensmittelindustrie In der Lebensmittelindustrie spielt Hygiene eine sehr große Rolle. Antibakterielle Beschichtungen und auch Antihaftbeschichtungen sind daher in diesem Bereich gefragt und können mittels Plasmatechnologie erzeugt werden. Plasmadesinfektion ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit. Auch die Härtung von Schneidwerkzeugen und die Optimierung von Bauteilen in Fertigungsmaschinen der Lebensmittelindustrie profitiert von Plasmatechnologie.

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Lichtindustrie Neben der sehr dekorativen Plasmakugel, in der Plasmablitze sehr eindrucksvoll bestaunt werden können, gibt es auch Plasmalampen. In Leuchtstoffröhren wird ein weißer Farbstoff durch die UV-Strahlung eines Plasmas zum Leuchten angeregt. In Xenon-Gasentladungslampen wird die Lichtemission des Xenonplasmas ausgenutzt um Licht ähnlichem dem Tageslicht zu erzeugen. Bei der Herstellung von LED-Lampen wird Plasmatechnologie in vielen Prozessschritten eingesetzt.

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Luftfahrtindustrie Auch in der Luft- und Raumfahrt findet die Plasmatechnologie, ähnlich wie beim Automobilbau (sieh oben) vielfältige Anwendungen. Insbesondere in der Turbine befinden sich einige Bauteile, die ohne entsprechende Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Härte und Reibeigenschaften nicht funktionieren würden. Aber auch die Hitzebeständigkeit von Materialien, die sich durch Plasmatechnologie optimieren lässt ist ein wichtiges Anwendungsfeld.

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Maschinenbau Im Maschinenbau ist eine ungehinderte Zusammenarbeit einzelner Bauteile wie Lager, Antriebstechnik und Ventiltechnik, unverzichtbar. Daher sind insbesondere Funktionsschichten zur Reduzierung der Reibung und des Verschleißes, aber auch Optimierungsprozesse für die Langlebigkeit der Bauteile, wie Korrosionsschutzbeschichtungen und Härteprozesse von großer Bedeutung. Auch in der Sensorik ermöglicht die Plasmatechnologie immer neue Fortschritte zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Maschinen und Prozessoptimierung.

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Medizintechnik Egal, ob OP-Bestecke, Implantate, Stents oder Prothesen, alle „Ersatzteile” für den menschlichen Körper müssen an das komplexe System der menschlichen Physiologie angepasst werden. Biokompatibilität und antibakterielle Oberflächen zur Infektionsvorbeugung ebenso wie gewebefreundliche Oberflächen zur guten Anhaftung der Zellen für eine optimale Verwachsung des Implantates sind wichtige Eigenschaften. Auch Verschleißschutz ist hier von großem Interesse, um erneute Operationen zu vermeiden. Die Plasmatechnologie bietet hierzu entsprechende Möglichkeiten zur Umsetzung und Optimierung. Plasmamedizin: © Fraunhofer IST, Jan Benz

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Metallindustrie ©Cemecon Beim Sputtern wird der zu verdampfende Werkstoff zur Schichtherstellung direkt vom festen in den gasförmigen Zustand überführt. Das führt zu sehr glatten Oberflächen ohne Fehlstellen. Die Eigenschaften von Metallen können durch Plasmatechnologie optimiert werden. So können die Härte erhöht, der Verschleiß und die Korrosion verringert, und die Reibung reduziert werden. Auch das Zusammenfügen von Metallen durch Schweißen kann mit Plasma unterstützt werden. Durch die höhere Energiekonzentration können auch dünne Bleche mit 0,1 mm Dicke noch geschweißt werden.

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Optische Industrie In der Optik spielen Transparenz sowie Reflektion, Absorption und Beugung von Licht eine entscheidende Rolle. Durch Plasmaoberflächentechnologie lassen sich ausgeklügelte Beschichtungen herstellen, die nicht nur die genannten Eigenschaften gezielt realisieren können, sondern dabei auch interessante Effekte ermöglichen. So ist es heute möglich durch Dünnschichttechnik Filter mit maßgeschneiderten spektralen Eigenschaften, UV-Schutzschichten, Antireflexschichten, Wärmedämmschichten aber auch komplexe optische Bauteile zu erzeugen. Weiterhin spielen auch hier Beschichtungen zur Erhöhung der Kratzfestigkeit eine große Rolle.

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Papierindustrie In der Papier und Kartonagen-Herstellung wird die Plasmatechnologie vor allem zur Verbesserung der Haftung von Druckfarben, Lacken, Klebern und weiteren Beschichtungen angewendet.

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Plasmamedizin Die Plasmamedizin ist eine noch junge, aber stetig wachsende Wissenschaft. Erste Erfolge gibt es bereits bei der Desinfektion von chronischen Wunden, in der Bekämpfung von Kopfläusen und bei der Krebstherapie. Auch im Bereich der Dermatologie bei der Behandlung von Warzen, Verbrennungen und Ausschlägen gibt es bereits aussichtsreiche Erfahrungen. Mehrere medizinische Studien konnten erfolgreich abgeschlossen werden.

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Schutz von Kulturgütern < Kulturgutaufbereitung © Fraunhofer IST, Jan Benz v Mobiler Plasmaeinsatz am Kulturgut, Mg-Behandlung © Militär-historisches Museum Berlin-Gatow / INNOVENT e.V. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Plasmas sind inzwischen auch im Kulturerbeschutz angekommen. Noch steht die Plasmaforschung hier am Anfang, aber erste nationale und internationale F&E-Projekte untersuchen die Möglichkeiten der schonenden Reinigung von korrodiertem Metall wie Eisen oder Silber, von Textilien, kontaminierten Holzoberflächen oder die Entfernung von Schmutzschichten auf Leinwänden oder Stein mittels kalter Plasmen. Sie haben ein großes Potential für die Restaurierung und Konservierung von Kulturgütern.

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Textilindustrie Funktionstextilien sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Plasma wird in der Textilindustrie zur Stabilisierung der Farbstoffe sowie zur Herstellung von wasser- und schmutzabweisenden oder bioaktiven Fasern verwendet. Durch die Hydrophilierung von Gewebe kann die Benetzbarkeit der Stoffe begünstigt und damit der Prozess des Färbens, Bedruckens oder weitere Textilveredlung unterstützt werden. Eine weitere interessante Anwendung von Plasmen ist die Entfernung von Avivagen im Prozess der Faserverarbeitung. Fadenbehandlung in der Textilindustrie © INNOVENT e.V.

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Umwelttechnik Plasmaoberflächentechnik kann zur Herstellung effektiver Filter für die Abgas- und Abwasserreinigung angewendet werden. Durch Plasmabehandlung können chemische Rückstände wie Hormone und Antibiotika in Abwässern abgebaut werden.

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Unterhaltungstechnik Plasmabildschirme nutzen verschiedenfarbige Plasmaentladungen in kleinen Kammern, um Fernsehbilder zu erzeugen. Neuartige Displays und flexible Elektronik für die Informationstechnik werden mittels Plasmatechnologien hergestellt.

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Verpackungsindustrie Im Bereich der Verpackungen wird Plasma vor allem bei der Vorbehandlung zum Bedrucken sowie zur Optimierung von Oberflächeneigenschaften angewendet. Beschichtungen, wie Barriereschichten, UV-Schutz, Antihaftschichten und Antibakterielle Schichten finden hier Anwendung. > Glasinnenbeschichtung in der Verpackungsindustrie ©INNOVENT e.V.

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Werkzeugindustrie ©Cemecon Werkzeuge bestehen aus hoch beanspruchten Materialien. Sie müssen härter sein, als das zu bearbeitende Werkstück und dürfen Ihre oftmals hochkomplexe Struktur nicht verlieren. Daher sind hier Härteprozesse, Verschleißschutzschichten, Reibungsvermindernde Schichten und Korrosionsschutzschichten von großer Bedeutung. Sowohl zur Beschichtung als auch zur Wiederaufbereitung von Werkzeugen finden dabei Plasmatechnologien Anwendung. < Beispiel Zerspanwerkzeuge CemeCon stellt seit mehr als 20 Jahren mittels CVD-Diamantbeschichtungstechnologie, echte sp³-Diamanten mit einer Härte von nahezu 10.000 Vickers für Zerspanwerkzeuge her.

Weitere Informationen finden Sie hier: : Plasmatechnologie

Wie viel Grad hat Plasma?

Die hohen Temperaturen, die bei den meisten Plasma-Applikationen erreicht werden, werfen bei vielen Anwendern die Frage nach der Prozesssicherheit auf, besonders bei der Bearbeitung von hochsensiblen Materialien. Das Ziel dieses Beitrages ist es, offene Fragen bezüglich Temperatur und Wärmeübertragung bei Plasma-Anwendungen zu adressieren und kritische Beispiele anzuführen, die die Anwendbarkeit von Plasma in temperaturkritischen Prozessen belegen. Am Anfang steht eine scheinbar simple Frage, die dennoch nicht einfach zu beantworten ist: Wie heiß ist Plasma? In der Natur können Plasmen bis zu 106eV erreichen (1eV ~ 11600K), in industriellen Anwendungen liegen die Höchsttemperaturen bei 1eV, Somit sind Plasmen ein hochenergetischer Zustand; ihre Temperatur ergibt sich aus den Energien ihrer Spezies (neutrale Atome, Elektronen und Ionen) und hängt stark vom Ionisationsgrad des jeweiligen Plasmas ab. Daher können unterschiedliche Plasmen nach der Temperatur einteilt werden, wobei zwei Hauptklassen unterschieden werden: thermische und nicht-thermische Plasmen. Von einem thermischen Plasma spricht man, wenn dieses vollständig ionisiert ist und alle Spezies dieselbe Temperatur haben; klassische Beispiele sind das Sonnenkorona oder Fusionsplasmen, Für diesen Beitrag relevant ist die Klasse der nicht-thermischen oder auch Nichtgleichgewichtsplasmen. Bei diesen Plasmen ist die Temperatur ihrer Elektronen, neutralen Partikeln und Ionen unterschiedlich. So können die Elektronen eine Temperatur von 10.000 K erreichen, während die meisten Gaspartikel deutlich weniger erhitzt werden bzw. bei Raumtemperatur verbleiben. Dennoch würde bei Betrieb mit trockener Druckluft als Plasmagas Plasmagas oder Sekundäres Plasma bezeichnet die neutralen (semi-)stabilen Gasteilchen, die bei einer Plasmaentladung durch Rekombination entstehen. ” href=”https://www.relyon-plasma.com/glossary/plasmagas/” target=”_blank” data-gt-translate-attributes=””>Plasmagas eine statische Messung der Plasmaflamme beim plasmabrush® PB3 Temperaturen unter 1.000°C anzeigen. Diese Plasmaflamme, also der sichtbare vorderste Teil des Plasmastrahls, wird auch „remote plasma” genannt und ist normalerweise der Bereich des Plasmas, in dem Oberflächen behandelt werden. Nicht-thermisches Plasma wird oft auch als „kaltes Plasma” bezeichnet; dieser Ausdruck sollte jedoch mit Vorsicht benutzt werden, da er ein breites Spektrum von Niederdruck- und Atmosphärendruckplasmen mit einschließt. Beispielsweise wird beim „kalten Plasma” des piezobrush® PZ2, im Gegensatz zum Arbeiten mit dem plasmabrush® PB3, die Temperatur kaum über die Umgebungstemperatur erhöht. Dieser Beitrag konzentriert sich jedoch auf die Art Geräte, die in der Industrie bei hohen Produktionsraten eingesetzt werden und mit nichtthermischen Plasmen höherer Temperaturen arbeiten. Düse A250 und statische Temperatur der Düsentypen A250, A350, und A450 in Verwendung mit dem Plasmabrush® PB3. Wenn Anwender die anfangs zitierte Frage „Wie heiß ist eigentlich Plasma” stellen, meinen sie dabei oft ohnehin weniger die Temperatur des Plasmas selbst als die Wärmezustände, die sich auf der Oberfläche des behandelten Substrates entwickeln.

  • Diese Temperaturen präzise zu spezifizieren bedarf ausführlicher Wärme- und Infrarot-Messungen.
  • Auf der Basis langjähriger Anwendungsbeobachtung hat Relyon Plasma GmbH zu Forschungszwecken eine Software entwickelt, die es ermöglicht, die Wärmeübertragung von atmosphärischem oder Nichtgleichgewichtsplasma auf ein Substrat zu simulieren.

Die Berechnung erfolgt dabei abhängig von der Art und Geometrie der Substratoberfläche sowie von der eingestellten Leistung des Plasmas. Hitzeentfaltung während einer intensiven Plasmabehandlung, simuliert mit Relyon Plasma Software. Wie die Ergebnisse ausführlicher Messungen beweisen, wirkt die Energie, die in die Oberfläche eingebracht wird, größtenteils auf die ersten Schichten eines Substrates. Somit ist die atmosphärische Plasmabehandlung eine echte Oberflächenbehandlung Für die Verarbeitung und Endverwendung von Materialien ist die Oberflächenbeschaffenheit von enormer Bedeutung. Allerdings kann diese durch gezielte Oberflächenbehandlung mit Plasma beeinflusst werden. ” href=”https://www.relyon-plasma.com/glossary/oberflaechenbehandlung-mit-plasma/” target=”_blank” data-gt-translate-attributes=””>Oberflächenbehandlung, bei der der Reinigungs- und Benetzungseffekt durch die Interaktion der Plasmapartikel mit der oberen atomaren Schicht des Materials erzeugt wird, ohne dass das Material selbst in seinen tieferen Schichten in irgendeiner Form verändert wird. Die Temperatur, die auf die Oberfläche wirkt, hängt nicht allein von der Leistung des Plasmas ab, sondern wird zudem stark von den verwendeten Plasmagasen beeinflusst und über die Prozessparameter vom Anwender kontrolliert. Letzterer steuert typischerweise vor allem zwei Prozessparameter, nämlich Geschwindigkeit und Abstand zum Substrat. Diese einfache Parametrierung ist für die meisten Plasma-Anwendungen absolut ausreichend. Wärmeentfaltung während einer sanften Plasmabehandlung, simuliert mit Relyon Plasma Software. Bei einigen Prozessen wie Hot Melt oder Beschichtung ist es jedoch von Vorteil, mit einer komplexeren Matrix zu arbeiten. Zu diesem Zweck können zu den beiden bereits genannten Parametern noch drei weitere am Gerät selbst eingestellt werden (Gasfluss, Frequenz und Leistung).

Wie viele Materiezustände gibt es?

In unserem Alltag begegnet uns Materie in drei verschiedenen Aggregatzuständen – fest, flüssig und gasförmig. Laut den Gesetzen der Quantenphysik sind allerdings auch exotischere Zustände möglich. Einer davon – ein Suprafestkörper – wurde bereits vor über 50 Jahren theoretisch vorhergesagt.

Seither versuchen Wissenschaftler, diesen Materiezustand zu erzeugen. Nun haben Forscher zum ersten Mal zweifelsfrei einen Suprafestkörper im Labor nachgewiesen. Wie das gelang, erzählt Tilman Pfau von der Universität Stuttgart im Interview mit Welt der Physik. Welt der Physik: Was ist ein Suprafestkörper? Tilman Pfau: Ein Suprafestkörper ist ein Körper, der gleichzeitig flüssig und fest ist.

Das widerspricht unserer Alltagserfahrung, ist aber laut den Gesetzen der Quantenphysik möglich. Auch in der klassischen Physik gibt es Mischungen aus verschiedenen Materiezuständen. Teilweise geschmolzenes Eis hat beispielsweise einen festen und einen flüssigen Anteil.

  1. Doch anders als in solchen klassischen Mischungen – in denen die zwei Zustände nebeneinander existieren – überlagern sie sich im Suprafestkörper auf quantenmechanische Art und Weise.
  2. Wie kann man sich diese Überlagerung vorstellen? Festkörper und Flüssigkeit unterscheiden sich im Verhalten ihrer Bestandteile – also der Atome oder Moleküle.

Während die Bestandteile eines Festkörpers regelmäßig – in einer sogenannten Kristallstruktur – angeordnet sind, bewegen sie sich in einer Flüssigkeit ohne feste Struktur. In einem Suprafestkörper sind die einzelnen Teilchen sowohl Bestandteil der Kristallstruktur eines Festkörpers als auch der freien Bewegung einer Flüssigkeit.

  1. Außerdem ist der flüssige Anteil des Suprafestkörpers suprafluid.
  2. Das bedeutet, dass sich die Atome oder Moleküle – aufgrund der Quantenphysik – reibungsfrei bewegen.
  3. Sind Suprafestkörper in der Natur zu finden? In der Natur ließ sich solch ein überlagerter Zustand aus Supraflüssigkeit und Festkörper noch nicht finden.

Seit der theoretischen Vorhersage vor über 50 Jahren gab es immer wieder Versuche, den exotischen Materiezustand im Labor herzustellen – zunächst aber ohne Erfolg. Denn die Schwierigkeit besteht darin, die Kräfte in einem Körper so zu kontrollieren, dass sich ein fester und ein flüssiger Zustand gleichzeitig ausbilden. Tilman Pfau Ein Suprafluid stellt man beispielsweise mit Heliumatomen her, die bis knapp über den Temperaturnullpunkt heruntergekühlt werden. Um allerdings eine Überlagerung aus einem suprafluiden und festen Zustand zu erzeugen, sind Atome mit besonderen Eigenschaften nötig.

Wir haben Dysprosium-Atome verwendet, die sich wie Stabmagnete – abhängig von ihrer Position zueinander – entweder gegenseitig abstoßen oder anziehen. Durch diese richtungsabhängige Kraft bilden sich beim Abkühlen gleichzeitig ein Suprafluid und eine geordnete Festkörperstruktur. Und wie wissen Sie, dass es sich tatsächlich um einen Suprafestkörper handelt? Der Nachweis eines Suprafestkörpers ist dreigeteilt: Als Erstes haben wir uns den erzeugten Materiezustand unter einem Mikroskop angeschaut.

So haben wir überprüft, ob sich wirklich eine periodische Kristallstruktur ausgebildet hat. Anschließend mussten wir sichergehen, dass unser System kein klassisches Gemisch aus Zuständen ist, sondern quantenmechanische Eigenschaften besitzt. Mithilfe von Interferenzexperimenten haben wir gezeigt, dass sich alle Atome des Systems durch einen gemeinsamen quantenmechanischen Zustand beschreiben lassen.

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Der finale Schritt, der zum zweifelsfreien Nachweis eines Suprafestkörpers bislang fehlte, war der Nachweis von Schallwellen im Suprafestkörper. Wie lässt sich mit Schall ein Suprafestkörper nachweisen? Stößt man einen Körper an, schwingen seine Bestandteile auf eine bestimmte Art und Weise – abhängig vom inneren Aufbau des Körpers.

Diese Schwingung breitet sich dann in Form von unterschiedlich schnellen Schallwellen aus. Als wir unseren Suprafestkörper zum Schwingen anregten, haben wir eine ganz spezielle Schwingungsmode entdeckt. Eine dieser sogenannten Goldstone-Moden entsteht, wenn eine Kristallstruktur und eine Flüssigkeit entgegengesetzt schwingen.

  1. Durch den Nachweis dieser sehr langsam schwingenden Schallwelle konnten wir zum ersten Mal zweifelsfrei nachweisen, dass in unserem System tatsächlich sowohl ein suprafluider als auch ein fester Zustand in einer Überlagerung existieren.
  2. Welche Anwendungen bietet dieser Materiezustand? Mit unserem Experiment betreiben wir vor allem Grundlagenforschung.

Wir wollten nachweisen, dass Suprafestkörper nicht nur theoretisch existieren, sondern dass sie sich auch im Labor herstellen lassen. Damit haben wir die Möglichkeit, viele bisher unbekannte Eigenschaften von Suprafestkörpern zu erforschen. Außerdem ist auch die Entdeckung weiterer Materiezustände denkbar.

Was sind die verschiedenen Aggregatzustände?

Die drei klassischen Aggregatzustände – Es gibt drei klassische Aggregatzustände:

fest – in diesem Zustand behält ein Stoff im Allgemeinen sowohl Form als auch Volumen bei, siehe Festkörper flüssig – hier wird das Volumen beibehalten, aber die Form ist unbeständig und passt sich dem umgebenden Raum an, siehe Flüssigkeit gasförmig – hier entfällt auch die Volumenbeständigkeit, ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus, siehe Gas

Einen Stoff im festen Aggregatzustand nennt man Festkörper, einen Stoff im flüssigen Aggregatzustand nennt man Flüssigkeit und einen Stoff im gasförmigen Aggregatzustand nennt man Gas, Bei Feststoffen unterscheidet man auch nach anderen Merkmalen:

kristallin – ein spröder Feststoff, der seine Form nicht verändert. Seine Bausteine, die Kristalle, weisen eine Fernordnung auf. amorph – ein Feststoff, der lediglich durch eine Nahordnung ausgezeichnet ist, siehe amorphes Material

Wie viele Aggregatzustände gibt es Wasser?

Aggregatzustände des Wassers – Sachanalyse Alle Lebewesen (Tiere, Menschen, Pflanzen) brauchen regelmäßig Wasser, um leben und wachsen zu können. Wasser ist Lebens- und Überlebensmittel. Zudem wird die Erde auch der blaue Planet genannt, da 70% mit Wasser bedeckt sind.

fest Ein fester Stoff hat immer eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Man kann ihn nur durch äußere Krafteinwirkung (z.B. Druck) verändern. Feste Körper haben Oberflächen, die sie begrenzen. flüssig Ein flüssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Er nimmt die Form des Gefäßes an, in dem er sich befindet oder bildet Tropfen aus. Flüssigkeiten bilden Oberflächen aus, die sie begrenzen. gasförmig Ein gasförmiger Stoff hat keine bestimmte Form und kein bestimmtes Volumen. Er verteilt sich in dem Raum, der ihm zur Verfügung steht. Gase bilden keine Oberflächen, die sie von ihrer Umgebung abgrenzen, sondern werden in ihrer Ausbreitung von der Umgebung begrenzt.

Feste und flüssige Stoffe kann man immer sehen, auch wenn sie farblos sind, da sie begrenzende Oberflächen haben. Gasförmige Stoffe hingegen sind in der Regel nicht sichtbar, es sei denn sie sind farbig. Beim Wasser nennt man die verschiedenen Aggregatzustände Eis (festes Wasser), Wasser (flüssiges Wasser) und Wasserdampf (gasförmiges Wasser).

Wachs: das Wachs einer Kerze wird flüssig, wenn man die Kerze anzündet Schokolade: Schokolade wird in der Sonne (zäh)flüssig und im Kochtopf flüssig Blei: beim Blei gießen wird das feste Blei flüssig und beim schlagartigen Abkühlen in Wasser wieder fest Margarine: schmilzt beim Braten

Stoffe ändern ihren Aggregatzustand durch Energieaufnahme oder durch Energieabgabe, d.h. wenn ihre Temperatur erhöht wird (z.B. durch eine Herdplatte, Kerzenflamme, menschliche Körpertemperatur, Sonne etc.) bzw. wenn ihre Temperatur erniedrigt wird (z.B.

Kühl-/ Gefrierschrank, Lufttemperatur etc.). Der Übergang von einen in den anderen Aggregatzustand erfolgt bei bestimmten Temperaturen und wird durch bestimmte Fachbegriffe bezeichnet (siehe Tabelle 3). Der Stoff selber bleibt bei den Aggregatzustandsänderungen erhalten, sein Zustand ist aber verändert (vgl.

bei der Verbrennung von z.B. Holz bleibt das Holz nicht erhalten, sondern es entsteht Asche.).

Bezeichnung des Vorgangs bei der Aggregatzustandsänderung Übergang von, Beispiel Wasser
Schmelzen , fest zu flüssig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Schmelztemperatur* bezeichnet. Eis schmilzt in der Sonne oder im Colaglas, da es Wärme(energie) aus der Umgebung aufnimmt. Die Schmelztemperatur liegt bei 0°C.
Erstarren , flüssig zu fest. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Erstarrungstemperatur* bezeichnet. Sie ist gleich der Schmelztemperatur. Wasser erstarrt z.B. in Eiswürfelbeuteln in der Gefriertruhe zu Eis, da es abgekühlt wird. Die Erstarrungstemperatur liegt bei 0°C.,
Verdampfen , flüssig zu gasförmig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Siedetemperatur*, Im Kochtopf verdampft das Wasser zu Wasserdampf, da es Wärme(energie) von der Herdplatte aufnimmt. Man sagt auch, dass es siedet. Die Siedetemperatur von Wasser liegt bei 100°C. Die Bildung der Wasserdampfblasen am Topfboden kann beobachtet werden. Sie steigen dann nach oben und verlassen das flüssige Wasser.
Verdunsten Als Verdunstung bezeichnet man den Übergang flüssiger Stoffe in den gasförmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur. Die Verdunstung verläuft langsamer als die Verdampfung da dem Stoff weniger Wärme(energie) zugeführt wird. Wasser verdunstet, wenn durch die Sonne die Luft erwärmt wird: die Wäsche trocknet.
Kondensieren , gasförmig zu flüssig. Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Kondensationstemperatur*, Sie ist gleich der Siedetemperatur. Am kühlen Kochtopfdeckel kondensiert der Wasserdampf zu Wasser, da dieser dort abkühlt. Die Kondensationstemperatur von Wasser liegt bei 100°C.
Sublimieren , fest zu gasförmig. Gefrorene Wäsche trocknet an kalten, trockenen Tagen im Freien.
Resublimieren , gasförmig zu fest. Raureifbildung.

Tabelle 3: Übersicht über die Änderungen der Aggregatzustände (nach ) *Man findet für die Siede-/Schmelztemperatur usw. oft synonym die Begriffe Siede-/Schmelzpunkt. Die Bezeichnung Siede-/Schmelztemperatur ist vorzuziehen, da Stoffe bei einer bestimmten Temperatur verdampfen/schmelzen.

Außerdem schmelzen nicht alle Stoffe an einer bestimmten Temperatur, sondern zeigen einen Schmelzbereich (z.B. Schokolade). nach Bader, H.J.; Drechsler, B.; Gerlach, S. (1999): Stärkung durch Kompetenz. Naturwissenschaftliche Inhalte im Sachunterricht unterrichten. Institut für Didaktik der Chemie der Johann Wolfgang Goethe- Universität Frankfurt am Main.

Didaktische Anmerkungen: Da Wasser in seinen drei Aggregatzuständen im Alltag auftaucht, haben Kinder viel Vorerfahrungen zu den verschiedenen Aggregatzuständen. Allerdings werden die einzelnen Aggregatzustände nicht unbedingt dem einen Stoff Wasser zugeordnet.

  • Sie werden schon in der Sprache getrennt.
  • Man sagt „Eis” zu festem Wasser, „Wasser” zu flüssigem Wasser und „Dampf” zu gasförmigen Wasser.
  • Bei anderen Stoffen hat man diese Trennung in der Sprache nicht z.B.
  • Sagt man zu festem Wachs „Wachs” und für flüssigen Wachs gibt es kein eigenes Wort.
  • Für Kinder ist Eis demnach etwas anderes als Wasser.

Zumal auch Speiseeis als „Eis” bezeichnet wird. Die Versuche zu den Aggregatzuständen des Wassers sollen dazu dienen, den Zusammenhang zwischen den einzelnen Aggregatzuständen zu erkennen. Es ist der gleiche Stoff Wasser, obwohl er ganz unterschiedlich aussieht.

Bei dem Versuch „Eiswürfel schmelzen” soll deutlich werden, dass das Eis nicht verschwindet, sondern dass nach dem Schmelzen genau so viel Wasser vorhanden ist wie zu Anfang. Wichtig ist auch die Diskussion darüber, dass der Grund für die Aggregatzustandsänderungen in der Temperatur zu suchen ist. Bei einer bestimmten Temperatur liegt Wasser immer in einem bestimmten Aggregatzustand vor.

So ist Wasser aufgrund der Temperaturen in unserer Umgebung meist im flüssigen Zustand zu sehen. Zur Strukturierung dieser Überlegungen hilft ein übersichtliches Schema (siehe Abb.) zu den Aggregatzustandsänderungen. Abb.: Schema zu den Aggregatzuständen des Wassers Man kann in diesem Schema anhand der Temperaturachse die steigende bzw. sinkende Temperatur verfolgen und dabei die entsprechenden Aggregatzustände betrachten. Die farbige Markierung der Pfeile unterstützt die gedankliche Linie.

  • Man kann auf der Temperaturachse die Schmelz- und Siedetemperaturen ergänzen.
  • Das Sublimieren und Resublimieren werden in der Grundschule nicht thematisiert.
  • Besonders schwierig ist das Verständnis des gasförmigen Aggregatzustandes, da Gase nicht zu sehen sind.
  • Die Kinder haben die Vorstellung, dass das Wasser beim Verdunsten bzw.

Verdampfen zu Luft wird oder verschwindet. Zur Erarbeitung ist es daher von Vorteil, wenn Kinder schon Erfahrungen zum Thema Luft (siehe CHEMOL) gemacht haben und wissen, dass es Gase gibt. Daher sollten die Kinder genau die Vorgänge beim Erhitzen beobachten.

  • Es entstehen Blasen, die aufsteigen und wenn das Wasser siedet erkennt man „Dampf”.
  • Dieser „Dampf” besteht aus kleinen kondensierten Wassertropfen, die durch die Hitze nach oben getragen werden.
  • Den Wasserdampf kann man hingegen nicht sehen.
  • Es ist nun wichtig, dass der Wasserdampf wieder zu Wasser wird, wenn er abkühlt.

Es ist also der gleiche Stoff, der aber ganz anders aussieht. Für die Erarbeitung eignet sich der Versuch „Wetter I”. Der Versuch „Wetter II” überträgt das Phänomen auf einen größeren Maßstab, wobei die Kinder ihr erlerntes Wissen auf einen anderen Versuchsaufbau anwenden müssen.

  • Es ist hier sinnvoll, eine Reihe vom kleinen, leicht beobachtbaren Versuch über einen größeren Versuchsaufbau hin zum Wetterkreislauf zu diskutieren.
  • Erst wenn die Kinder verstanden haben, dass flüssiges Wasser beim Erwärmen gasförmig wird, kann man die Verdunstung erklären.
  • Bei der Verdunstung ist nämlich nur zu beobachten, dass das Wasser irgendwann weg ist.

Man kann nicht sehen, wo es geblieben ist. Mit dem Vorwissen aus den Verdampfungsversuchen können die Kinder einfacher erkennen, dass Wasserdampf in der Luft enthalten sein muss. Dies kann man prüfen, indem man die Luft abkühlt, z.B. indem man Eis in einen Löffel legt oder ein Glas in den Kühlschrank stellt.

Glas und Stift (oder Glas mit Skalierung z.B. Messbecher) Eiswürfel Leitungswasser

Das Glas wird halbvoll mit Wasser gefüllt. Ein (oder auch mehrere) Eiswürfel werden in das Glas gegeben. Dann wird der Wasserstand mit dem Stift markiert oder der Wert auf der Skala notiert. Nun lässt man solange stehen bis die Eiswürfel geschmolzen sind.

  1. Variante: Man gibt einen möglichst großen Eiswürfel in ein Glas.
  2. Anschließend füllt man so viel Wasser in das Glas, dass es gerade nicht überläuft.
  3. Der Eiswürfel schwimmt an der Wasseroberfläche.
  4. Er schmilzt im Wasser und man kann beim genauen Hinsehen erkennen, dass das kältere Wasser in Schlieren zum Boden des Glases fällt.

Der Wasserstand hat sich nicht verändert, nachdem das gesamte Eis geschmolzen ist. Der Eiswürfel schwimmt auf der Wasseroberfläche, da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat. Eis ist Wasser in fester Form. Ab einer Temperatur von 0°C schmilzt es und wird zu flüssigem Wasser.

Der Aggregatzustand ändert sich also von fest zu flüssig. Der Teil des Eises, der sich unter Wasser befindet, verdrängt etwas Wasser (Daher steigt der Wasserspiegel an, wenn man den Eiswürfel in das Wasser gibt). Deshalb und da die Dichte des Wassers höher ist als die des Eises, kommt es im Gefäß nicht zu einer Volumenzunahme.

Bei starker Erwärmung der Erdatmosphäre z.B. durch den Treibhauseffet würde das Eis an den beiden Polen schmelzen. Aktuell war z.B. dieses Frühjahr in Spitzbergen in der Arktis bis zu 13°C zu warm. Das Eis des Nordpols schwimmt im Wasser. Wenn es schmilzt, steigt der Meeresspiegel nicht an, da das Eis schon Wasser verdrängt hat.

Metalldeckel vom Sektflaschenverschluss Glasstab o.ä. (z.B. Grogrührer) Gefrierschrank/-fach Glas Leitungswasser

Mit dem Glasstab wird ein Tropfen Wasser auf den Sektflaschenverschluss gebracht und in den Gefrierschrank gestellt. Man lässt ihn für ca. zehn Minuten im Gefrierschrank stehen (je nach Wassermenge und Gefrierschranktemperatur). Nach dem Herausnehmen beobachtet man den erstarrten Wassertropfen (Eis).

  • Der Wassertropfen wird im Gefrierschrank fest.
  • Nach dem Herausnehmen wird der Eistropfen wieder flüssig.
  • Wenn man genau beobachtet, werden auch andere Bereiche des Sektflaschenverschlusses feucht.
  • Flüssiges Wasser erstarrt bei 0°C und tieferen Temperaturen zu festem Wasser (Eis).
  • Eis schmilzt ab einer Temperatur von 0°C und höheren Temperaturen zu flüssigem Wasser.

Die Temperatur, bei der der Feststoff schmilzt bzw. der flüssige Stoff erstarrt, nennt man Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur. Wenn man den Deckel mit den flüssigen Wassertropfen ca. eine Stunde (je nach Raumtemperatur und Wassermenge) an der Luft stehen lässt, ist das Wasser verdunstet.

Flüssiges Wasser wird zu gasförmigen Wasser (Wasserdampf). Wenn man Leitungswasser verwendet, erkennt man nach dem Verdunsten des Wassers Rückstände auf dem Deckel. Dies sind Salze, die im Leitungswasser gelöst waren und nun zurückbleiben. Man kann diesen Effekt verhindern, indem man destilliertes Wasser verwendet (z.B.

Bügeleisenwasser), da dies reines Wasser ohne gelöste Salze ist.

Glas Kühlschrank oder Gefriertruhe

Ein Glas wird in den Kühlschrank oder in die Gefriertruhe gestellt. Dann nimmt man es heraus und beobachtet an der Luft. Das Glas „beschlägt” an der Luft. Wenn man mit dem Finger über das Glas streicht, ist es feucht. Nach kurzer Zeit ist das Glas wieder trocken und nicht mehr „beschlagen”.

  • Das Glas wird im Kühlschrank abgekühlt.
  • In der Luft ist Wasserdampf enthalten.
  • An der kalten Oberfläche des Glases kondensiert daher Wasserdampf aus der Luft und wird zu flüssigem Wasser: das Glas „beschlägt”.
  • Wenn das Glas länger an der Luft steht, wird es erwärmt und das flüssige Wasser verdunstet wieder zu Wasserdampf.

Das Kondensieren von Wasserdampf aus der Luft an kalten Gegenständen kann man auch beim „Versuch Wassertropfen erstarren” beobachten. Im Alltag ist dieses Phänomen vielfältig zu beobachten, z.B. „beschlagen” im Winter Brillen, wenn man aus dem Kalten in warme Räume geht.

2 x Metalldeckel eines Sektfaschenverschlusses Grillzange oder Pinzette Glasstab Kerze Streichhölzer destilliertes Wasser (z.B. für Dampfbügeleisen)

Mit dem Glasstab gibt man einen Tropfen destilliertes Wasser auf je einen Metalldeckel. Einen lässt man liegen. Den anderen erwärmt man vorsichtig über eine Kerzenflamme. Der Deckel wird dabei mit einer Grillzange festgehalten. Man kann beobachten, wie das Wasser im zweiten Teil des Versuchs wesentlich schneller verschwunden ist.

Bei dem anderen Versuch dauert es mindestens eine Stunde bis das Wasser verschwunden ist. Im ersten Teil dieses Versuchs kann man beobachten, wie das Wasser langsam verdunstet, Der Übergang von flüssig zu gasförmig geschieht bei Temperaturen weit unterhalb der Siedetemperatur, Der zweite Teil des Versuchs zeigt, dass die Energiezufuhr den Übergang von flüssig zu gasförmig beschleunigt.

Man spricht dann von Verdampfen Wenn man Leitungswasser verwendet, findet man nach dem Verdunsten bzw. Verdampfen Rückstände. Dies sind in Wasser gelöste Salze, die zurück bleiben.

Esslöffel Teelicht leere Teelichtschale Drahtgestell eines Sektverschlusses Leitungswasser Eiswürfel

Durchführung In eine leere Teelichtschale wird etwas Leitungswasser gegeben. Diese stellt man auf das Drahtgestell eines Sektverschlusses. Unter das Gestell wird ein Teelicht gestellt und entzündet (siehe Abb), Dann wird das Wasser in der Teelichtschale beobachtet.

Wenn „Dampf” aufsteigt wird ein Eiswürfel auf den Esslöffel gegeben. Dann hält man den Löffel in den „Dampf”. Man kann auch einfach den Löffel ohne Eis über die Teelichtschale halten. Nach ca.2 Minuten (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen. Mit der Zeit werden es immer mehr und nach ca.6 Minuten steigt „Dampf” auf.

Wenn man einen Eiswürfel in den Esslöffel legt, „beschlägt” er von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten) ohne ihn in den „Dampf” zu halten. Wenn man ihn in den „Dampf” hält, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden.

  1. Auch ohne Eis im Löffel bildet sich Flüssigkeit unter dem Löffel, die heruntertropft, wenn man ihn schräg hält.
  2. Mit Eis bildet sich aber mehr Flüssigkeit.
  3. Das Wasser wird durch die Kerzenflamme erwärmt.
  4. In Wasser sind verschiedene Gase (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff) gelöst, die sich auch in der Luft befinden.

Durch Erwärmen werden diese Gase ausgetrieben, so dass die ersten Blasen aus in Wasser gelösten Gasen bestehen. Dieses Phänomen der gelösten Gase sollte an dieser Stelle didaktisch reduziert werden. Wird das Wasser weiter erwärmt, sind die Gase ausgetrieben und das flüssige Wasser wird gasförmig.

  • Dies ist ebenfalls in Form von Blasen zu beobachten, die nun aber aus Wasserdampf bestehen.
  • Allerdings siedet das Wasser anfangs noch nicht.
  • Erst wenn eine Temperatur von 100°C erreicht ist, fängt es an zu sieden, was gut bei einer kleinen Wassermenge zu beobachten ist.
  • Das flüssige Wasser verdampft zu Wasserdampf.

Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist. Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf”, den man aufsteigen sieht. Man sollte diesen „Dampf” eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht.

  1. An der Löffelunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert.
  2. Da am Löffel viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen”.
  3. Man kann diesen Versuch mit dem Wetter vergleichen.
  4. In der Natur wird das Wasser allerdings nicht bis zum Sieden erwärmt, sondern es verdunstet.

Dieser Unterschied zwischen Versuch und Natur sollte diskutiert werden. Wenn Wasserdampf im Freien aufsteigt, kühlt er sich mit zunehmender Höhe immer mehr ab (Faustregel: 1°C Abkühlung pro 100 m Höhenunterschied). Das Eis im Löffel deutet dieses Phänomen modellhaft an.

Man kann bei diesem Versuch während der Erwärmungszeit die Feuchtigkeitsbildung an der Unterseite des Löffels thematisieren, die sich nach dem Auflegen des Eises bildet. Dies ist für die Kinder schwer zu deuten, wenn dies ein Einstiegsversuch ist. Wenn andere Versuche zu den Aggregatzuständen vorher durchgeführt wurden, kann hier Erlerntes wiederholt werden.

Wenn die Kinder behaupten, dass das Wasser des schmelzenden Eiswürfels über den Rand des Esslöffels läuft und das Wasser an der Löffelunterseite daher stammt, kann man diesen Einwand aufgreifen und eine größere Schale (z.B. Marmeladenglasdeckel) verwenden, die mehr Wasser aufnehmen kann.

Heizplatte Kochtopf gewölbte Metallschale (z.B. Deckel von einer Keksdose) Paketband Dosenstecher Deckenhalter/Kartenhalter Leitungswasser Eiswürfel

Wenn man keine gewölbte Metallschale zur Verfügung hat, kann man sie aus einem Keksdosendeckel herstellen: Man legt sie auf Sand und klopft mit einem runden Gegenstand (z.B. einem runden Stein) eine runde Wölbung hinein. Mit einem Dosenstecher sticht man Löcher in den Rand des Deckels und befestigt das Paketband daran, so dass man den Deckel aufhängen kann.

  • Das Leitungswasser wird in den Kochtopf gefüllt und mit der Heizplatte erhitzt.
  • Die Metallschale wird mit den Bändern an einen Deckenhaken oder einen Kartenhalter gehängt.
  • Wenn Dampf aufsteigt, werden Eiswürfel in die Metallschale gelegt.
  • Nach einiger Zeit (abhängig von der Wassermenge) erkennt man kleine Bläschen im Wasser, die aufsteigen.

Mit der Zeit werden es immer mehr und es steigt Dampf auf. Wenn man Eiswürfel in die Metallschale legt, „beschlägt” sie von unten (es ist eine Flüssigkeit zu beobachten). Wenn man sie in den Dampf hängt, bildet sich noch mehr Feuchtigkeit. Feuchtigkeitstropfen sammeln sich an der tiefsten Stelle und fallen dort zu Boden.

Es „regnet”. Das Wasser wird durch die Heizplatte erwärmt. Die Erklärung ist identisch wie beim Versuch „Wetter I”. Der Wasserdampf steigt auf und ist zu beobachten. An der Metallschale kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Es fängt an zu „regnen”. Dieser Versuch ist eine „Vergrößerung” des Versuches Wetter I.

Die Schüler müssen so das erlernte Wissen aus dem ersten Versuch auf einen neuen Versuchsaufbau übertragen. Diese gedankliche Verknüpfung kann anschließend auf den Wetterkreislauf in der Realität erweitert werden. Auch der umgekehrte Lernweg vom Wetterkreislauf zu den Versuchen ist möglich.

Kunststoffflasche 2 Kartons (z.B. kann man bei Schuhkartons auch Unterseite und Deckel verwenden) Metallschale (z.B. Butterbrotdose oder Kuchenbackform) Schere oder Pricknadel Farben, Kleber, Tonpapier etc. Draht heißes Leitungswasser Eiswürfel

Mit einer Schere trennt man den Flaschenhals ab und schneidet die Flasche der Länge nach durch (kleine ½ L Kunststoffflaschen lassen sich leichter schneiden, da sie dünnere Wände haben), Die Schachtel wird so zurechtgeschnitten oder ausgeprickt, dass man vorne eine Landschaft hat.

  • Man kann die Schachtel auch bemalen oder bekleben.
  • Die zweite Schachtel wird hinter die erste gestellt.
  • Aus Draht werden zwei Halterungen gebogen.
  • Die zwei Halterungen werden in zwei Einschnitte in der Rückwand gehängt und evtl.
  • Mit Klebeband befestigt.
  • In die „Landschaftsschachtel” stellt man nun die Metallform und füllt sie mit heißem Wasser.

Die aufgeschnittene Flasche wird in die Halterungen gehängt und mit Eiswürfeln befüllt. „Dampf” steigt vom heißen Wasser auf. An der Unterseite der halben Flasche bildet sich Flüssigkeitstropfen. Mit der Zeit tropfen einige Tropfen herunter: Es „regnet”.

  1. Das flüssige Wasser verdunstet zu Wasserdampf.
  2. Der Wasserdampf steigt auf und ist nicht sichtbar, da er gasförmig ist.
  3. Allerdings kühlt er sich an der Luft schnell wieder ab, so dass er zu kleinen Wassertropfen kondensiert: Diese kleinen Tröpfchen bilden den „Dampf”, den man aufsteigen sieht.
  4. Man sollte diesen „Dampf” eher mit Nebel beschreiben, da Nebel aus kleinen Wassertropfen in der Luft besteht.

An der Flaschenunterseite kühlt der aufsteigende Wasserdampf wieder ab und wird zu flüssigem Wasser: er kondensiert. Da an der Flasche viel Wasser kondensiert, bilden sich größere Tropfen: Es fängt an zu „regnen”. An der Unterseite der Flasche kann schon Wasser zu beobachten wenn Eis im Löffel liegt, da in der Luft schon Wasserdampf enthalten ist.

Dieser kühlt an der kalten Unterseite ab und kondensiert Dieses Modell veranschaulicht den Wasserkreislauf und führt somit den Gedankengang der Versuche zum Wetter I + II weiter und das Fachkonzept der Aggregatzustände wird nochmals wiederholt. Die Kinder können selber basteln und müssen sich dabei Gedanken über die Gestaltung machen, z.B.

wie soll die Landschaft aussehen? Wo befindet sich das Wasser, wo befindet sich z.B. das Watt, die Berge usw.? Man sollte auf jeden Fall das Modell mit der Realität vergleichen. Den einzelnen Bestandteilen des Modells und den Beobachtungen sollten entsprechend die Aspekte des Wasserkreislaufs gegenübergestellt werden (siehe Tab.1).

Modell Realität
Wasser in der Metallschale Seen, Nordsee (Wattenmeer), allgemein Meere
Flasche mit Eis kühle Luft in oberen Luftschichten
Verschiedene Landschaftsbereiche Berge, Marsch etc.
Kondenstropfen an der Flasche Wolkenbildung
herabfallende Wassertropfen Regen

Tab.1: Beispiel für ein Vergleich von Modell und Realität Ein zusätzlich gemaltes Bild des Wasserkreislauf fördert nochmals den Vergleich von Realität und Modell. Aggregatzustände Zyklische Abläufe der Natur. Die Schere wird beim Schneiden der Plastikflasche schnell stumpf.

Was ist Plasma Feuer?

Noch von der Schulbank her sind wir es gewohnt, alle Stoffe in drei Aggregatzustände – fest, flüssig und gasförmig – einzuteilen. In den letzten Jahren rückt jedoch der vierte Aggregatzustand, den man auf Grund seines eigenartigen Verhaltens Plasma bezeichnet, immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses – Frank-Kamenezki, 1963 Das Plasma (griech.: das Formbare) als den vierten Aggregatzustand zu bezeichnen, schließt sich einerseits den griechischen Philosophen an, die die Elemente Erde (fest), Wasser (flüssig), Luft (gasförmig) und Feuer (Plasma) kannten.

Andererseits ist die Bezeichnung als neuer Aggregatzustand auch aus moderner Sicht durchaus treffend, weil bei den hohen Temperaturen die Atome in positive Ionen und negative Elektronen zerfallen und damit die Zerlegung der Materie in ihre Bestandteile durch einen neuen Prozeß fortgesetzt wird. Ein Plasma ist ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas, das als nunmehr elektrisch leitendes Medium eine Reihe von Eigenschaften besitzt, die es von Gasen, Flüssigkeiten oder festen Körpern deutlich unterscheidet.

“Vom Plasma sprechen die Physiker erst seit kurzer Zeit, doch gesehen hat es schon jeder. In dem imposanten Schauspiel, das Blitz und Nordlicht bieten, ist das Plasma der Hauptakteur. Wer einmal das “Vergnügen” hatte, eine Kurzschluß in der elektrischen Leitung zu verursachen, hat ebenfalls mit dem Plasma Bekanntschaft gemacht.

Der Funke, der von einem Leiter zum anderen überspringt, besteht aus dem Plasma einer elektrischen Entladung in der Luft. Wenn wir abends durch die Straßen einer Großstadt spazieren und die Lichtreklamen sehen, denken wir nicht daran, daß in jeder Röhre das Plasma der Edelgase Neon oder Argon leuchtet.

Jeder auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzte Stoff geht in den Plasmazustand über. Eine gewöhnliche Flamme besitzt eine gewisse elektrische Leitfähigkeit; sie ist – wenn auch in geringem Maße – ionisiert, sie ist ein Plasma.” Unser technisches Zeitalter ist ohne Plasmen nicht denkbar.

  1. Die Chips in diesem und jedem anderen Computer werden mit Plasmaverfahren geätzt, flache Computerbildschirme benutzen Plasmadisplays, Gaslaser, in denen das Plasmamedium Atome oder Moleküle anregt, werden in der Forschung, Industrie, Medizin und Umweltanalytik eingesetzt.
  2. Neue Werkstoffe werden mit Plasmabrennern erzeugt.

Zur Lösung der Energieprobleme künftiger Generationen ist die Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kernfusion nunmehr in greifbare Nähe gerückt.99% des leuchtenden Universums ist im Plasmazustand. Es sind die kalten Bedingungen auf unserem Planeten, die uns die klassischen Aggregatzustände als die “natürlichen” erscheinen lassen.

Alle Sterne sind Plasmen, weil sie sehr heiß sind, aber auch das Medium zwischen den Sternen ist im Plasmazustand. Dieses Gas ist so dünn, daß bereits das schwache Sternlicht dazu ausreicht, den Atomen, das ein oder andere Elektron zu entreissen und damit zu einer nennenswerten Ionisation zu führen. Selbst wenn nur ein Ion auf 100.000 neutrale Atome kommt, reagiert das Gas auf elektrische und magnetische Kräfte – es ist ein Plasma.

Deshalb gilt die Plasmaphysik als Grundlagenwissenschaft für die Astrophysik. In Plasmen wirken also elektrische und magnetische Kräfte, die die Bewegungen der Teilchen stark beeinflussen. Die viel leichteren Elektronen können sich relativ zu den 2000 mal schwereren Ionen schnell bewegen. Die Sonne ist wie alle Sterne eine Plasmakugel. In ihrem Innern werden bei Millionen Grad Wasserstoffatomkerne zu Helium verschmolzen. Die frei werdende Energie wird vom Sonnenkern durch Strahlung und Plasmaströmungen an die Oberfläche transportiert, dort herrschen 6000 Grad und die meisten Atome sind ionisiert.

Aus der Oberfläche brechen Plasmaströmungen auf und entweichen in den Weltraum, dabei entstehen magnetische Röhren, die das Plasma bündeln und auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Auf diese Weise bläst die Sonne einen Plasmawind mit bis zu 600 Kilometern pro Sekunde. Der Sonnenwind trifft auf das Erdmagnetfeld, wo er abgelenkt wird.

Durch zeitliche und örtliche Schwankungen an der Oberflache, “rüttelt” der Sonnenwind am Erdmagnetfeld. Aus der Schule wissen wir, da beim Rütteln an magnetischen Feldlinien elektrische Ströme auftreten. Diese Ströme werden in der Erdmagnetosphäre “verheizt” – das Nordlicht entsteht. Wir beschäftigen uns an der Sternwarte mit ganz verschiedenen Problemkreisen aus der Astrophysik. Zum einen geht es um den Ursprung kosmischer Magnetfelder. Überall im Universum gibt es Magnetfelder. Sie sind zwar viel schwächer als das Erdmagnetfeld, aber ihre Feldlinien erstrecken sich ber Tausende von Lichtjahren.

Magnetfelder hängen immer mit elektrischen Strömen zusammen, deshalb muß es im Universum riesige elektrische Generatoren geben, die die Magnetfelder erzeugen und aufrechterhalten – die galaktischen Dynamos. So wie im Dynamo am Fahrrad, wird in Galaxien ein bereits existierendes Magnetfeld durch Leiterbewegungen verstärkt, es fließen elektrische Ströme, die in geeigneter Weise strukturiert, das Magnetfeld aufrechterhalten.

In Scheibengalaxien zum Beispiel, spiegeln die magnetischen Feldlinien die Spiral- und Balkenstruktur wieder. Ein weiterer Aspekt unserer Arbeit ist die Beschleunigung von Teilchen in elektrischen Feldern. Immer, wenn magnetische Feldlinien mit unterschiedlichen Richtungen aufeinandertreffen, werden elektrische Felder erzeugt.

Entlang dieser Felder können sehr effizient Teilchen beschleunigt werden. Diesen Prozeß kann man direkt in der Erdmagnetosphäre beobachten, dort führt er zum Nordlicht. Die beschleunigten Teilchen treffen auf die Sauerstoff – und Stickstoffatome unserer Atmosphäre, ionisieren sie und regen sie so zu den imposanten Leuchterscheinungen an.

Auf der Sonnenoberfläche kann man das Aufeinanderprallen von magnetischen Feldlinlinien mit unterschiedlichen Richtungen ebenfalls beobachten. Dort führt die Freisetzung der magnetischen Energie zu gewaltigen Eruptionen und zur Beschleunigung von Teilchen auf sehr hohe Energien und zur Aufheizung der Sonnenatmosphäre auf mehrere Millionen Grad.

Die paradoxe Situation, daß die Sonnenoberfläche nur 6000 Grad heiß ist, während ihre Atmosphäre Millionen Grad heißes Gas besitzt, läßt sich nur durch “unsichtbaren” Energietransport von elektromagnetischer Energie in die Atmosphäre erklären. In astrophysikalischen Systemen kommen gestörte Magnetfelder mit unterschiedlichen Richtungen fast überall vor.

Immer dann, wenn eine äußere Kraft am Plasma zieht, reißt oder drückt, werden auch die Magnetfelder entsprechend zerzaust oder komprimiert und Feldlinien mit unterschiedlichen Richtungen treffen aufeinander. Abhängig von der jeweils vorliegenden Magnetfeldstärke können dabei sehr hohe Teilchenenergien auftreten.

Wir behandeln diesen Prozess für das Nordlichtphänomen in der Erdmagnetosphäre, für die Röntgenstrahlung von jungen Sternen, und für die Produktion von Gammastrahlung in aktiven galaktischen Kernen. Dort insbesondere erfordern die beobachteten Zeitskalen der Strahlungsleistung einen effizienten Beschleunigungsmechanismus, der ähnlich wie bei Sonneneruptionen, in kurzer Zeit viele Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigen kann.

In aktiven galaktischen Kernen strömt Plasma in einer Scheibe auf ein schwarzes Loch. Die Bewegungsenergie, die das Gas bei seinem Einfall auf das starke Schwerkraftfeld des schwarzen Loches gewinnt, wird in der Scheibe abgestrahlt. Die Scheibe, die Magnetfelder besitzt, wird aufgeheizt und es kommt zu gigantischen Eruptionen, in deren Verlauf magnetische Energie in Teilchenenergie umgesetzt wird. Pulsare sind Sternleichen. Sie entstehen als Überrest einer Supernova-Explosion, wenn im Inneren eines mehrere Sonnenmassen schweren Sternes die Kernfusion abbricht. Aufgrund der fehlenden Energiequelle, bricht der Kern des Sterns in sich zusammen. Der hohe Druck quetscht die Elektronen in die Atomkerne hinein und es entsteht durch die Vereinigung von Protonen und Elektronen ein Neutronenstern.

Diese ca.10 km große Kugel verbleibt als Überrest, während die äußeren Sternhüllen in einer gewaltigen Explosion abgesprengt werden. Die kleine Kugel enthält bis zu 1.44 Sonnenmassen, dreht sich bis zu 1000mal pro Sekunde und besitzt ein Magnetfeld, das eine Billion-mal stärker ist als das Erdmagnetfeld und sich mit dem Stern mitdreht.

Aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit des Sternmagnetfeldes werden an der Oberfläche des Neutronensterns starke elektrische Felder aufgebaut, die Teilchen aus der Sternoberfläche herausreissen. Diese strömen entlang der Feldlinien ab und strahlen, vor allem im Radiobereich (100 Megahertz- bis einige GHz).

Der Leuchtstrahl dreht sich wie ein Leuchtturm im Kosmos und immer, wenn er unsere Sichtlinie schneidet, sehen wir die intensive Strahlung des Neutronensterns – er pulsiert, daher der Name Pulsar. Pulsare sind so exakt in ihren Eigenschaften, daß man die irdischen Atomuhren mit ihnen eichen kann. Pro Sekunde und pro Quadratmeter strahlt ein Pulsar soviel Energie ab, wie die Erde in 10 Milliarden Jahren verbraucht.

Die hohe Intensität der Strahlung verlangt einen kohärenten Strahlungsprozeß, bei dem alle Teilchen zur gleichen Zeit die gleiche Energie abstrahlen, ähnlich wie in irdischer LASER. An der Sternwarte arbeiten wir an theoretischen Modellen zu eben diesem bis heute unbekannten Strahlungsmechanismus.