Phase (Thermodynamik)

Phase (Thermodynamik), im thermodynamischen Sinn der Begriff für eine homogene, d. h. physikalisch und chemisch überall gleichförmig beschaffene Zustandsform von Materie. In einer einzelnen Phase sind also Eigenschaften wie Dichte, Kristallstruktur, Brechzahl, spezifische Wärmekapazität usw. überall gleich. Ein heterogenes System besteht aus mehreren Phasen, die durch Phasengrenzflächen voneinander getrennt sind.

Weil Gase stets miteinander mischbar sind, können sie nur eine einzige Phase bilden. Im Gegensatz dazu bilden nicht mischbare Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser und herkömmliches Pflanzenöl, zwei Phasen, die auch als Emulsion vorliegen können. Auch verschiedene Festkörper, die mechanisch miteinander vermengt sind, bilden jeweils eine eigene Phase.

Die Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) sind ein Beispiel für unterschiedliche Phasen, die eine reine Substanz (ein Element oder eine Verbindung) auszubilden vermag. Beim Wasser sind dies Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf. Wenn unterschiedliche Phasen derselben Substanz gleichzeitig vorliegen, spricht man von koexistierenden Phasen, zwischen denen ein dynamisches Gleichgewicht herrscht. In diesem Fall treten ständig gleich viele Moleküle oder Atome in beiden Richtungen durch die Phasengrenzfläche.

Für die Anzahl P der Phasen, die mehrere Komponenten K (also K verschiedene Substanzen) gleichzeitig ausbilden können, gilt die Gibb’sche Phasenregel. Nach ihr ist die Anzahl F der noch frei bestimmbaren Parameter bzw. physikalischen Größen gegeben durch

F = K - P + 2

Wenn bei einem Ein-Stoff-System (K = 1) nur eine Phase (z. B. flüssiges Wasser) vorliegt, können zwei Größen (Druck und Temperatur) variiert werden, ohne dass sich die Anzahl der Phasen ändert. Liegen zwei koexistierende Phasen vor (z. B. Flüssigkeit und Dampf), lässt sich nur eine Größe frei wählen, ohne die Phasenanzahl zu ändern: Erhöht oder senkt man beispielsweise die Temperatur, stellt sich der Dampfdruck im System entsprechend ein. Liegen am so genannten Tripelpunkt alle drei Phasen gleichzeitig vor, kann keine thermodynamische Größe geändert werden, ohne dass eine Phase verschwindet.

Bei Zwei-Stoff-Systemen besteht die Möglichkeit, gemäß der oben angegebenen Gleichung, jeweils einen Parameter mehr zu verändern. Beispiele für die Phasen bei Zwei-Stoff-Systemen sind ein nicht gelöster Feststoffrest (Bodenkörper) und die über ihm befindliche Lösung.