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Struktur von Stoffen und die verschiedenen Aggregatzustände

Compressed Air Wiki Basic Theory Physics of Air Compressors

Um die Funktionsweise von Druckluft zu verstehen, ist eine grundlegende Einführung in die Physik sehr hilfreich. Zu Beginn erläutern wir die Struktur von Stoffen. Im zweiten Teil erfahren Sie mehr über die vier verschiedenen Aggregatzustände und über Moleküle.

Woraus besteht Materie?

Die verschiedenen Aggregatzustände
Alle Stoffe, ganz gleich, ob in gasförmiger, flüssiger oder fester Form, bestehen aus Atomen. Atome sind daher die Grundbausteine der Materie, obwohl sie fast immer als Teil eines Moleküls auftreten. Ein Molekül ist eine Anzahl von Atomen, die mit anderen Atomen derselben oder einer anderen Art gruppiert sind. Atome bestehen aus einem dichten Kern, der wiederum aus Protonen und Neutronen besteht, um die sich eine Anzahl von kleinen, leichten Elektronen schnell auf einer Kreisbahn bewegen. Es gibt auch noch andere Bausteine. Diese sind jedoch nicht stabil. All diese Partikel zeichnen sich durch vier Eigenschaften aus:
- ihre elektrische Ladung
- ihre Ruhemasse
- ihren mechanischen Impuls
- ihr magnetisches Moment

Die Anzahl der Protonen im Atomkern entspricht der Ordnungszahl des Atoms. Die Gesamtzahl der Protonen und die Anzahl der Neutronen entsprechen zusammen ungefähr der Gesamtmasse des Atoms, da Elektronen nahezu keine Masse haben. Diese Informationen finden sich im Periodensystem der Elemente. Die Elektronenhülle enthält genauso viele Elektronen, wie sich Protonen im Atomkern befinden. Das bedeutet, dass ein Atom in der Regel elektrisch neutral ist.

Der dänische Physiker Niels Bohr hat 1913 ein Strukturmodell des Atoms eingeführt. Er hat bewiesen, dass Atome nur in einem so genannten stationären Zustand und mit einer bestimmten Energie auftreten können. Wenn das Atom seinen Energiezustand ändert, wird ein Strahlungsquant abgegeben. Dieses wird als Photon bezeichnet. Diese unterschiedlichen Übergänge zeigen sich in Form von Licht mit verschiedenen Wellenlängen. In einem Spektrograph werden sie als Linien im Linienspektrum des Atoms angezeigt.

Was sind die vier Aggregatzustände?

Durch chemische Bindung zusammengehaltene Atome werden als Moleküle bezeichnet. Diese sind so klein, dass 1 mm3 Luft bei atmosphärischem Druck ca. 2,55 x 1.016 Moleküle enthält. Prinzipiell können alle Stoffe in vier verschiedenen Aggregatzuständen vorkommen:
- fester Zustand
- flüssiger Zustand
- gasförmiger Zustand
- Plasmazustand

Im festen Zustand sind die Moleküle eng in einer Gitterstruktur mit starker Bindung gepackt. Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt tritt ein gewisses Maß an Molekularbewegung auf. In diesem Zustand findet Schwingung um eine ausgewogene Position statt, die schneller wird, wenn die Temperatur steigt. Wenn ein Stoff im festen Zustand so stark erwärmt wird, dass die Bewegung der Moleküle durch das starre Gitter nicht verhindert werden kann, lösen sich die Moleküle, und der Stoff schmilzt und wird in eine Flüssigkeit umgewandelt. Wenn die Flüssigkeit weiter erwärmt wird, wird die Bindung der Moleküle vollständig aufgebrochen, und der flüssige Stoff geht in einen gasförmigen Zustand über. Das Gas dehnt sich in alle Richtungen aus und mischt sich mit anderen Gasen im Raum. Wenn Gasmoleküle abgekühlt werden, verlieren sie an Geschwindigkeit und gehen miteinander wieder eine Bindung ein, so dass Kondensation entsteht. Wenn die Gasmoleküle jedoch weiter erwärmt werden, zerfallen sie in einzelne Teilpartikel und bilden ein Plasma aus Elektronen und Atomkernen.

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