Was passiert mit der Entropie während des Phasenwechsels?

Die Entropie im Wandel: Ein Blick auf Phasenübergänge

Phasenübergänge, wie das Schmelzen von Eis oder das Sieden von Wasser, sind alltägliche Phänomene, die auf den ersten Blick trivial erscheinen. Doch hinter diesen scheinbar einfachen Vorgängen verbirgt sich eine tiefgreifende physikalische Realität, die sich besonders gut anhand der Entropie, einem Maß für die Unordnung eines Systems, beschreiben lässt. Während kontinuierliche Prozesse eine graduelle Änderung der Entropie aufweisen, zeigen Phasenübergänge erster Ordnung – wie eben Schmelzen und Sieden – ein besonderes Verhalten: einen sprunghaften Anstieg der Entropie.

Diese sprunghafte Änderung ist kein willkürliches Ereignis, sondern spiegelt die drastischen Veränderungen in der mikroskopischen Struktur der Materie wider. Betrachten wir beispielsweise das Schmelzen von Eis. Im festen Zustand sind die Wassermoleküle in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet. Ihre Bewegung ist auf Vibrationen um ihre Gleichgewichtspositionen beschränkt – ein Zustand geringer Entropie, da die Ordnung hoch ist und die Freiheitsgrade der Moleküle begrenzt sind.

Beim Schmelzen wird die Ordnung durch die Zufuhr von Wärmeenergie (latente Schmelzwärme) aufgebrochen. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen werden geschwächt und schließlich gebrochen. Die Moleküle erhalten deutlich mehr Bewegungsfreiheit und können sich nun wesentlich freier bewegen. Dieser Übergang von einer hochgeordneten, festen Phase zu einer weniger geordneten, flüssigen Phase führt zu einem sprunghaften Anstieg der Entropie. Die Entropie nimmt nicht kontinuierlich, sondern diskontinuierlich zu. Dieser Sprung ist direkt proportional zur Schmelzwärme dividiert durch die Schmelztemperatur (ΔS = ΔQ/T).

Ähnliches gilt für den Phasenübergang von flüssigem Wasser zu Wasserdampf. In der flüssigen Phase sind die Moleküle zwar nicht mehr starr im Gitter angeordnet, aber ihre Bewegung ist immer noch durch die Wechselwirkungen mit benachbarten Molekülen eingeschränkt. Beim Verdampfen wird genügend Energie zugeführt (latente Verdampfungswärme), um die intermolekularen Kräfte vollständig zu überwinden. Die Wassermoleküle entweichen in den gasförmigen Zustand, wo sie sich nahezu frei bewegen können. Die Unordnung, und damit die Entropie, nimmt drastisch zu, wiederum in einem sprunghaften Prozess.

Es ist wichtig zu betonen, dass diese sprunghafte Entropieänderung nur bei Phasenübergängen erster Ordnung auftritt. Phasenübergänge zweiter Ordnung, wie z.B. der Übergang eines Ferromagneten unterhalb der Curie-Temperatur, zeigen eine kontinuierliche Änderung der Entropie. Die Unterscheidung zwischen erster und zweiter Ordnung liegt in der Stetigkeit bestimmter thermodynamischer Größen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entropieänderung bei Phasenübergängen erster Ordnung ein direktes Abbild der Veränderungen der Ordnung und der molekularen Freiheitsgrade darstellt. Der sprunghafte Anstieg der Entropie reflektiert den Übergang von einem Zustand hoher Ordnung (geringe Entropie) zu einem Zustand geringerer Ordnung (hohe Entropie). Dieses Verständnis der Entropie ist essentiell für das Verständnis der Thermodynamik und der Eigenschaften von Materie in ihren verschiedenen Aggregatzuständen.