Der Begriff „Phase“ wird in der physikalischen Chemie, Thermodynamik, Materialwissenschaft und Strömungsmechanik verwendet, um einen räumlichen Bereich zu beschreiben, in dem die Materialeigenschaften, wie Dichte, Brechungsindex oder chemische Zusammensetzung, gleichmäßig verteilt und homogen sind.
Die IUPAC (Internationale Union der Chemischen Gesellschaften) gibt eine Definition für eine Phase als eine Einheit eines materiellen Systems, die sich in Bezug auf die chemische Zusammensetzung und den physikalischen Zustand einheitlich verhält. In der Thermodynamik wird jeder homogene Teil eines thermodynamischen Systems als Phase betrachtet. Dieser Begriff wurde von J.W. Gibbs eingeführt.
In der Regel bezieht sich der Begriff auf alle räumlichen Teile eines Systems, die die gleichen Materialeigenschaften aufweisen, auch wenn diese Teile nicht miteinander verbunden sind. Ein reiner Stoff kann in verschiedenen Zuständen gleichzeitig vorliegen, wie verschiedene Aggregatzustände (fest, flüssig und gasförmig). Zum Beispiel kann ein Glas Wasser im flüssigen Zustand gleichzeitig Eiswürfel im festen Zustand enthalten. Der Aggregatzustand ist jedoch nicht das einzige Kriterium zur Unterscheidung von Phasen, da viele Stoffe auch in verschiedenen Modifikationen (Elemente) oder Kristallstrukturen (Elemente und Verbindungen) existieren können. Eine besondere Eigenschaft tritt bei Phasen in der Suprafluidität auf, wo aufgrund von Quanteneffekten die suprafluide Phase und die Normalphase ineinander übergehen können, sodass die Mischung für das menschliche Auge wie ein einziger Zustand erscheint.
Stabilität von Phasen
Wenn verschiedene Zustände miteinander wechselwirken, sind sie nur unter spezifischen Bedingungen stabil. Diese Bedingungen, normalerweise Druck, Temperatur und Zusammensetzung, können in einem Phasendiagramm dargestellt werden. In einem solchen Diagramm kann man leicht ablesen, welche Phasen bei bestimmten Bedingungen stabil sind und wie viele davon vorhanden sind.
Dies ist besonders anschaulich bei Systemen mit nur einem Stoff, da hier die Phasen lediglich durch ihren Aggregatzustand oder ihre Modifikation unterschieden werden können. Wenn sich ein Punkt auf einer Fläche in einem solchen Diagramm befindet, liegt nur eine Materie vor. Befindet sich der Punkt auf einer Linie, sind zwei Zustände vorhanden (zum Beispiel flüssiges und festes Wasser). An den Knotenpunkten können entsprechend auch drei (wie beim Wasser im Tripelpunkt) oder mehr Phasen gleichzeitig existieren.
In Mehrstoffsystemen werden die Diagramme komplizierter, da bereits im Zweistoffsystem drei Variablen berücksichtigt werden müssen. Hier können reine Phasen (eine Einstoffphase neben anderen Phasen) oder Mischphasen auftreten. Je mehr Komponenten involviert sind, desto mehr Möglichkeiten gibt es für die Bildung von Phasen. Mit der Gibbsschen Phasenregel kann die maximale Anzahl der koexistierenden Phasen berechnet werden.
Wenn zwei oder mehr Phasen nebeneinander existieren, kommt es zur Phasentrennung, und es bilden sich Phasengrenzflächen, an denen die Eigenschaften und der Ordnungsparameter abrupt ändern. Diese Phasengrenzflächen zwischen verschiedenen Phasen sind ein interessantes Forschungsgebiet, da dort zum Beispiel chemische Reaktionen auftreten können oder die Eigenschaften des Materials im Vergleich zum Inneren der Phase variieren. Dies bezieht sich auch auf die Grenzflächenspannung.
Neben dem stabilen Zustand können auch metastabile Phasen existieren, die zwar nicht thermodynamisch stabil sind, aber dennoch über längere Zeiträume bestehen können. Beispiele hierfür sind Diamant unter Normalbedingungen oder Glas.
Schwierigkeit des Begriffs der Homogenität
Homogenität ist hier ein schwierig zu fassender Begriff: Je nachdem wie genau man den Stoff betrachtet, kann er als einphasig oder mehrphasig erscheinen:
- Milch ist eine Emulsion kleiner Fett-Tröpfchen in Wasser. Sie stellt also ein zweiphasiges System mit einer Wasser- und einer Fettphase dar. Wegen der Kleinheit der Fetttröpfchen erscheint diese dem bloßen Auge als eine homogene Flüssigkeit.
- Ein Haufen Salzkörner besteht aus einer Vielzahl von einzelnen festen Salzkörnern, die alle von einer gasförmigen Zustand (Luft) umgeben sind. Die Salzkörner, die alle dieselben Materialeigenschaften besitzen, stellen in ihrer Gesamtheit eine zweiten, nämlich festen Zustand dar.
- Ein anderes Beispiel ist wasserhaltiger Dampf. Diese Mischung wird auch als Nebel, technisch auch als Nassdampf bezeichnet. Sie wirkt – ähnlich wie Milch – homogen, besteht aber aus zwei Phasen, dem gasförmigen Wasserdampf und den Kondensattröpfchen.
- Mizellen sind zwar extrem klein, sie bestehen nur aus wenigen Molekülen, aber dennoch können sie als kondensierte Phase aufgefasst werden, während eine Lösung von Mizellen auf das Auge einen homogenen Eindruck macht.
- Viele Steine wirken auf den ersten Blick wie eine einzige Phase. Viele Gesteine bestehen jedoch aus verschiedenen Mineralen – dies ist bei genauerem Hinsehen erkennbar. Jedes Mineral bildet eine eigene Festkörperphase.
Zusätzlich können in Systemen, die per Definition homogen sind, in begrenztem Maße Inhomogenitäten auftreten. Beispielsweise sind in Gasen aufgrund der Gravitation minimale Unterschiede in Konzentration und Druck (Konzentrationsgradienten, Schweredruck) möglich, oder die Zusammensetzung von Kristallen kann an ihren Oberflächen geringfügig verändert sein. In solchen Situationen spricht man nicht von zwei Phasen.
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