Erstarren
Erstarren, Gefrieren oder Kristallisieren bezeichnet in der Physik den Phasenübergang eines Stoffes vom flüssigen in den festen Aggregatzustand. In allen Fällen erfolgt dies durch von Energieabfuhr an das umgebende System. Der Umkehrprozess des Erstarrens ist das Schmelzen. Die Erstarrung erfolgt im Erstarrungsintervall.
Bei Reinstoffen und konstantem Druck erfolgt das Erstarren immer bei einer bestimmten Temperatur, die Gefrierpunkt genannt wird (Erstarrungslinie). Er entspricht bei reinen Stoffen exakt dem Schmelzpunkt. Obwohl der Stoff beim Erstarren Wärme abgibt (Kristallisationsenthalpie), bleibt die Temperatur während des Übergangs von flüssig nach fest konstant (Isotherme Zustandsänderung). Beim Erstarren kommt es bei vielen Stoffen zur Kristallisation, bei der die Brownsche Bewegung der Moleküle reduziert wird. Die Moleküle weisen daher im erstarrten Zustand eine geringere Energie auf als im flüssigen, was gleichbedeutend ist mit einer Energieabgabe.
Wasser und wässrige Lösungen gefrieren, wenn sie in den festen Aggregatzustand übergehen. Gefrieren wird umgangssprachlich auch die Haltbarmachung von Lebensmitteln durch Tiefkühlen genannt. Bei Legierungen und Glasen beginnt das Erstarren bei der Liquidustemperatur und ist bei der Solidustemperatur abgeschlossen.
Allgemeines[Bearbeiten]
Flüssigkeiten können sich wegen verschiedener Gründe und auf verschiedene Weisen in Festkörper umwandeln. Besonders häufig kann die Erstarrung bei konstantem Druck durch Abkühlen beobachtet werden. Wenn es sich um einen Reinstoff handelt, dann beginnt die Flüssigkeit beim Erreichen der Erstarrungstemperatur zu erstarren und kühlt erst weiter ab, wenn die Erstarrung abgeschlossen ist. Die Erstarrungstemperatur ist fast immer identisch mit der Schmelztemperatur. Auch eine Änderung des Drucks bei konstanter Temperatur kann zum Erstarren führen. Bei den meisten Stoffen ist dazu eine Druckerhöhung nötig, während bei Wasser und einigen anderen Stoffen eine Druckverminderung auch zum Erstarren führen kann (siehe dazu auch Anomalie des Wassers). Auch das Sieden und Kondensieren können durch Druckänderung verursacht werden, beim Erstarren sind aber deutlich größere Druckänderungen nötig. Den Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck kann Phasendiagrammen entnommen werden. Dort ist auch erkennbar, dass die Erstarrungslinie, die im Diagramm den Flüssigkeitsbereich vom Festkörperbereich trennt, steiler verläuft, als die Schmelzlinie zwischen flüssig und gasförmig.
Bei vielen Gemischen (und damit auch Legierungen) gibt es einen Temperaturbereich, das Erstarrungsintervall, in dem der Stoff sowohl fest als auch flüssig vorliegt. Die Erstarrung beginnt bei der Liquidustemperatur und endet bei der Solidustemperatur. Beide hängen vom Mischungsverhältnis ab, beziehungsweise vom Anteil der Legierungselemente und können ebenfalls Phasendiagrammen entnommen werden.
Auch durch chemische Reaktionen kann es zur Erstarrung kommen. Das ist der Fall, wenn sich beispielsweise bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit in einen Stoff umwandelt die mit einer Erstarrungstemperatur die über der Raumtemperatur liegt. Das Phänomen tritt auch in der Metallurgie auf: Flüssige Metalle reagieren dabei mit Sauerstoff und bilden Oxide. Flüssiges Aluminium erstarrt beispielsweise bei 660 °C, während Aluminiumoxid bei über 2000 °C noch fest ist.
Beim Erstarren wird Energie frei, die Kristallisationsenthalpie. Die gleiche Energiemenge wird benötigt, um den Stoff wieder zu schmelzen (Schmelzenthalpie).
