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Zustandsformen von Materie

Beschreibung der stofflichen Zustände

Zur Beschreibung der stofflichen Zustände und deren Änderungen gibt es grundsätzlich zwei Vorgehensweisen:

  • Die induktive oder phänomenologische Methode, bei der man von den beobachtbaren Eigenschaften des Stoffes ausgeht.
  • Die deduktive oder atomistische Betrachtungsweise, bei der man versucht, von den Eigenschaften der einzelnen Teilchen und ihren Wechselwirkungen untereinander auf die Eigenschaften eines Stoffes zu schließen.

Induktive Methode

Bei dieser Methode betrachtet man den zu untersuchenden Stoff als Einheit. Man untersucht in einer Reihe von Experimenten die Änderungen des Zustands in Abhängigkeit von gewissen Variablen wie der Temperatur oder dem Druck. Diese Variablen nennt man Zustandsvariablen oder Zustandsgrößen.

Die beobachteten Abhängigkeiten werden in mathematische Gesetze gefasst und bei Messungen an möglichst vielen anderen Stoffen immer wieder unter Beweis gestellt. Meistens erhält man dabei ein allgemeines Gesetz, in dem aber spezifische Konstanten enthalten sind, die die Eigenschaften eines bestimmten Stoffes beschreiben.

Beispiel

Ein Beispiel ist die Temperatur einer Probe.

Die Temperaturänderung der Substanz ist linear abhängig von der zugeführten Wärmemenge. Das allgemeine Gesetz lautet also: Δ T = K q , wobei q die zugeführte Wärmemenge ist.

Dieser lineare Zusammenhang gilt für alle Substanzen, die Proportionalitätskonstante K ist aber für jeden Stoff spezifisch.

Beispiele für solche stoffspezifischen Konstanten sind die Wärmekapazität, die Kompressibilität und der Ausdehnungskoeffizient.

Deduktive Methode

Diese Methode geht vom Aufbau der Materie aus Atomen, Ionen oder Molekülen aus. Aus den Eigenschaften dieser Bausteine und ihren gegenseitigen Wechselwirkungen (Masse, Ladung, Struktur, Schwingungen, intermolekulare Kräfte usw.) können die Eigenschaften der Stoffe und deren Änderungen theoretisch berechnet werden. Die Modelle für solche Berechnungen bietet die statistische Thermodynamik.

Diese Methode ist erheblich schwieriger, da man zwar die Eigenschaften der Atome bzw. Moleküle gut kennt, die Kräfte zwischen den Teilchen jedoch sehr kompliziert sind.

Molekulare Theorien für Festkörper, besonders aber für Flüssigkeiten, ergeben auch heute noch häufig keine befriedigende Beschreibung der Experimente. Bei Gasen ist eine molekulare Theorie viel einfacher, weil die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen sehr gering oder im Grenzfall des idealen Gases vernachlässigbar sind.

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