Mehrstoffsystem vs. Einphasensystem
Ich frage mich gerade, ob ein Mehrstoffsystem ein Einphasensystem sein kann, z.B. eine Mischung von Gasen. Den Begriff Phase finde ich immer so unpräzise definiert, aber im Vorlesungsskript habe ich folgenden Satz gefunden: "in einer Phase haben im Gleichgewicht alle intensiven Zustandsgrößen überall den gleichen Wert." Die Dichte ist per definitionem eine spezifische Zustandsgröße - heißt das, sie ist keine intensive (wie Druck, Temperatur usw.)? Eigentlich müsste sie ja doch intensiv sein, die Dichte ist ja mengenunabhängig. Wenn die Dichte intensiv ist, dann können zwei Gase unterschiedlicher Dichte ja schon wegen dem Satz oben nicht eine Phase bilden. Was ist aber mit zwei Gasen, die die gleiche Dichte haben? Kurz und knapp: Kann eine Phase aus zwei Stoffen bestehen? Oder gibt es keine zwei verschiedenen Stoffe, die in allen intensiven Größen übeinstimmen können?
2 Antworten
Die Dichte ist wie Temperatur und Druck eine intensive Zustandsgröße. Die Definition von intensiv sieht nur vor, dass sich die Zustandsgröße nicht mit der Systemgröße verändert. Das ist bei der Dichte doch offensichtlich der Fall. Auch spezifische Größen können intensive Zustandsgrößen sein.
Somit ist in einer Phase die Dichte überall die selbe. Zwei Gase unterschiedlicher Dichte bilden immer eine Phase, da Gase beliebig ineinander mischbar sind. Daraus resultiert dann eine neue Mischdichte der Phase.
Nein, nicht unbedingt. Man kann ja auch einen Stoff in einem anderen lösen. Z.B. in einer geschlossenen Wasserflasche befindet sich das Wasser und das gelöste Gas in einem metastabilen Zustand. Solange die Flasche geschlossen ist, bleibt das Gas gelöst.
Kochsalz in Wasser gelöst ist auch klar ein Mehrstoffsystem mit nur einer Phase. Auch Feststoffe, insb. Legierungen aus Nickel und Kupfer, in denen der Feststoff nur aus einer Kristallform besteht, sind zwar Mehrstoffsysteme aber klar einphasig.
Klingt sehr einleuchtend! Dann kann also ein Mehrstoffsystem nur ein Einphasensystem sein, wenn die beteiligten Stoffe ineinander gelöst sind oder in Gasform vorliegen (dann sind sie immer "löslich"). Oder fehlt noch ein Fall?
Bei einer Legierung sind die Stoffe nicht ineinander gelöst. Ein Mehrstoffsystem ist eben dann ein stabiles Einphasensystem wenn innerhalb der Phasendefinition nur eine Phase vorliegt. Das kann in einer Lösung sein, in der Gasphase oder auch in einem Feststoff bei entsprechender Kristallstruktur.
Nach einem älteren Thermodynamik-Lehrbuch (Stephan, Mayinger, Thermodynamik Bd. 2) sind Phasen Bereiche mit homogenen Eigenschaften, die deutlich voneinander abgegrenzt sind. An diesen Grenzen ändern sich die physikalischen Eigenschaften sprunghaft. Beispiel: Eis+Wasser, Wasser+Luft, aber auch bei gleichem Aggregatzustand, z.B. Öl, das auf dem Wasser schwimmt.
Kennzeichen eines Einphasenbsystems ist, dass man die Zustandsgleichungen und Zustandsänderungen für den gesamten Systeminhalt auf einmal betrachten kann. Diese Phase kann aus verschiedenen Stoffen bestehen, wenn sie sich mischen und die Zusammensetzung des Gemisches im gesamten System homogen ist. (Dazu muss die Dichte nicht notwendigerweise im gesamten System gleich sein).
Bei Mehrphasensystemen geht das nicht. Es gibt Trennflächen, über die sich die physikalischen Eigenschaften sprunghaft ändern (Dichte, Wärmekapazität, Adiabatenexponent ...). Die Verteilung ist lokal unterschiedlich, z. B. gibt es dort wo Wasser ist keine Luft und umgekehrt. Daher müssen Zustandsänderungen getrennt betrachtet werden, insbesondere, wenn die Phasen auch noch miteinander reagieren oder auch nur Masse austauschen (Verdampfen / kondensieren beispielsweise).
Daraus folgt: Bei zwei Gasen, die sich miteinander mischen kann man für die Mischung als Ganzes die Gaskonstante, Wärmekapazität etc. bestimmen und damit die Zustandsänderungen einheitlich behandeln. Dabei können die Gase durchaus unterschiedliche Partialdrücke - und damit Partialdichten - aufweisen. Ein gutes Beispiel ist, wie oben schon gesagt, Luft, bei der die Bestandteile sehr unterschiedliche Dichten haben.
Vielen Dank, dann bin ich ja schon fast am Ziel! Sind denn Gase immer mischbar? Flüssigkeiten ja nicht, so schwimmt z.B. Öl auf Wasser und die beiden bilden nicht eine gemeinsame Phase, obwohl der Aggregatszustand ja gleich ist. Wenn Gase sich tatsächlich immer beliebig mischen lassen, kann also ein Mehrstoffsystem nur ein Einphasensystem sein, wenn die beteiligten Stoffe in Gasform vorliegen, richtig?