Unter Phasen eine Stoffes versteht man einheitliche (homogene) Bereiche, die gegeneinander durch Trennflächen abgegrenzt sind. Bei Wasser von Raumtemperatur in einem teilweise gefüllten Gefäß liegen zwei solche Phasen vor, die flüssige Phase des Wassers und die gasförmige Phase des Wasserdampfes darüber. Die meisten Stoffe können in der festen, flüssigen oder gasförmigen Phase vorkommen. Es gibt aber noch verschiedene andere Phasen. Vielleicht hast du im Chemie-Unterricht die Phasen von flüssigem oder festem Schwefel mit unterschiedlichen Modifikationen von Schwefel kennengelernt. Es gibt auch noch 3 gasförmige Schwefelphasen.

Eng verwandt mit dem Begriff der Phase ist der Aggregatszustand. Von den meisten Stoffen kennen wir den festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatszustand. Manche fassen auch ein Plasma mit getrennt sich bewegenden negativen und positiven Ladungen als 4. Aggregatszustand auf. Eis, Wasser und Wasserdampf sind ein dir bekanntes Beispiel für ein und denselben Stoff. Nebel dagegen besteht aus kleinen Wassertröpfchen in Luft. Hier liegt Wasser überwiegend in der flüssigen Phase vor, aber, da ein Teil des Wassers verdampft ist, auch in der gasförmigen Phase. Auch das  Kohlendioxid (CO₂) der Luft kann verflüssigt werden. Es wird in dickwandigen "Gasflaschen" verkauft, und wenn du das Ventil öffnest strömt Kohlendioxid aus, kühlt sich stark ab (Vorsicht: "Verbrennungs-"Gefahr!) und wird zu festem Kohlendioxid-Schnee, der auch nach und nach verdampft, wobei er die flüssige Phase überspringt (Sublimation). Trockeneis ist festes Kohlendioxid.

Phasenübergänge sind ein etwas allgemeinerer Fall von Änderungen des Aggregatszustands.

Änderungen des Aggregatszustands können unterschiedlich durchgeführt werden. Gemeinsam ist allen Änderungen eine Energiezufuhr (für den Weg fest-flüssig-gasförmig) oder ein Energieentzug (für den Weg gasförmig-flüssig-fest). Wasserdampf z.B. wird flüssig, wenn du ihn bei 100⁰C abkühlst (Energieentzug) oder wenn du den Druck erhöhst. Ähnlich wird flüssiges Wasser fest, wenn du es bei 0⁰C abkühlst (Energieentzug). Wenn du aber bei 0⁰C den Druck erhöhst, wird das Eis wieder flüssig ("Anomalie des Wassers").

Temperatur von Wasser in Abhängigkeit von der zugeführten Wärme Q (Prinzipdarstellung): Charakteristisch für Änderungen des Aggregatszustands ist die Konstanz der Temperatur während des Erstarrens bzw. des Schmelzens bzw. während des Kondensierens bzw. Siedens (Verdampfens). Reines Wasser unter Idealbedingungen erstarrt bei einer festen Temperatur von 00C und siedet bei einer festen Temperatur von 1000C (Kurve links idealisiert). Erhitzt du fein zerstampftes Eis (Energiezufuhr bei 00C; unter Idealbedingungen) unter sorgfältigem Umrühren, dann bleibt die Temperatur konstant bei 00C, bis alles Eis geschmolzen ist. Erst bei weiterer Energiezufuhr steigt die Temperatur des flüssigen Wassers weiter an. Erhitzt du also flüssiges Wasser von 1000C vorsichtig unter kräftigem Umrühren (Energiezufuhr bei 1000C), so bleibt die Temperatur konstant 1000C, bis alles Wasser verdampft ist. Erst bei weiterer Energiezufuhr steigt die Temperatur des Dampfes weiter über 1000C an. Bereits unterhalb von 1000C verdunstet ein Teil des Wassers, so dass in Realität die Erwärmungskurve unterhalb von 1000C flacher wird und "gerundet" in die Horizontale einmündet.

In einer Flüssigkeit wie Wasser bewegen sich die Teilchen unregelmäßig hin und her. Die meisten Teilchen bleiben durch Kräfte aneinander gebunden und können den Verband der Flüssigkeit nicht verlassen. Einige Teilchen erreichen z.B. bei Stößen aber soviel Energie, dass sie die anziehenden Kräfte überwinden und die Flüssigkeit verlassen können. Sie treten in den Dampfraum über. Man sagt, die Flüssigkeit bildet eine Phase (A), der Dampf eine Phase (B). Dann existiert das Wasser gleichzeitig als Flüssigkeit und als Gas (Wasserdampf ^*)).

Der Übergang kann ohne Energiezufuhr von außen geschehen. Dann nennt man den Vorgang "Verdunstung". Die Flüssigkeitsphase wird dadurch immer energieärmer: die mittlere Energie eines jeden ihrer Teilchens sinkt; die Temperatur sinkt, die Flüssigkeit kühlt sich ab. Denn zur Überwindung der gegenseitigen Anziehungskräfte wird Energie benötigt. Das geschieht bereits unterhalb der Siedetemperatur.

Man könnte der Flüssigkeit aber auch Energie zuführen. Wieder verlassen die energiereichsten Teilchen die Flüssigkeitsphase, wobei sie die zugeführte Energie mitnehmen. Diesen Vorgang nennt man "Sieden". Die mittlere Energie der Flüssigkeitsteilchen bleibt konstant, ebenso ihre Temperatur, bis alle Flüssigkeit "verdampft" ist.

Den umgekehrten Vorgang, wenn also Teilchen aus dem Dampf wieder in der Flüssigkeit gebunden werden, nennt man "Kondensieren". Die überschüssige Energie müssen die Teilchen abgeben. Es wird Kondensationswärme frei, u.U. gefährlich viel.

Z.B. in einem abgeschlossenen Gefäß können Flüssigkeit und Dampf durch den ständigen Austausch von Teilchen im thermischen Gleichgewicht stehen. Dann haben Flüssigkeit und Dampf gleiche Temperatur. Es kann aber auch sein, dass dieses Gleichgewicht gestört ist. Das könnte z.B. geschehen, wenn der Dampf abgesaugt oder durch einen Luftzug entfernt wird. Dann kühlt sich die Flüssigkeit immer stärker ab, weil immer mehr Teilchen in die Dampfphase übergehen.

^*) Wasserdampf ist unsichtbar. Wenn sich Nebelschwaden bilden, handelt es sich um fein verteilte Tröpfchen von flüssigem Wasser.

(September 2013)