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Phasen in der Materialcharakterisierung
Dichte, Härte, Wärmekapazität oder Leitfähigkeit
Aggregatszustand
Eine Phase ist dabei in der Regel eine homogene Zusammensetzung im Material. Der Begriff Phase kann sich dabei auf den Aggregatszustand (fest, flüssig oder gasförmig) beziehen, aber auch auf die Kristallgitterstruktur innerhalb einer bestimmten Zone im Festkörper oder chemische Modifikationen. Wichtig ist hierbei, dass ein Stoff zur selben Zeit in unterschiedlichen Phasen vorliegen kann.
Phasenübergänge bestimmen
Um zu wissen, in welcher Phase sich ein Material gerade befindet und damit auch, wann welche Parameter gelten, ist es besonders wichtig, die Phasenübergänge eines Materials zu kennen und auch zu bestimmen. Diese erfolgen normalerweise bei Erreichen einer bestimmten Temperatur bzw. eines Energieniveaus oder aber unter Einfluss von Druck oder chemischen Reaktionen.
Welche Phasenübergänge gibt es?
Da es verschiedene Definitionen von Phasen gibt (Aggregatzustand, Kristallstruktur, Modifikation usw.), gibt es auch verschiedene Phasenübergänge. Im einfachsten Fall beschreibt ein Phasenübergang den reinen Wechsel eines Aggregatzustandes, z.B. von fest zu flüssig.
Eine Einteilung der Phasenübergänge erfolgt in der Regel nach der sogenannten Ehrenfest-Klassifikation nach Paul Ehrenfest.
Dabei werden die thermodynamischen Größen Volumen, Enthalpie oder Entropie meist in Abhängigkeit von der Temperatur betrachtet.
Phasenübergänge werden dann in sogenannte Ordnungen eingeteilt, wobei die n-te Ordnung der Funktion der betrachteten Größe gegen die Temperatur eine Unstetigkeit in der n-ten Ableitung aufweist. Die Funktion selbst und die n-1-te Ableitung sind stetig. In der Praxis unterscheidet man nur zwischen Phasenübergängen 1. und 2.
Beispiele für Phasenübergänge 1. Ordnung sind:
- Umwandlungen zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatzuständen, insbesondere
- Schmelzen (Übergang von fest zu flüssig)
- Verdampfen (Übergang von flüssig zu gasförmig)
- Sublimieren (Übergang von fest zu gasförmig)
- Erstarren oder auch Gefrieren (Übergang von flüssig zu fest)
- Kondensieren (Übergang von gasförmig zu flüssig)
- Resublimieren (Übergang von gasförmig zu fest)
Beispiele für Phasenübergänge 2. Ordnung sind:
- Wechsel zwischen ferro- und paramagnetischem Verhalten bei der kritischen oder Curie-Temperatur
- Wechsel zwischen verschiedenen magnetischen Ordnungen, z. B. von kommensurabler zu inkommensurabler Magnetstruktur
- Wechsel zwischen ferro- und dielektrischem Verhalten
- Übergang zur Supraleitung
Wie kann ich Phasenübergänge messen?
Phasenübergänge werden in der thermischen Analyse normalerweise mittels eines Dynamischen Differenzkalorimeters DDK (Englisch Differential Scanning Calorimeter – DSC) gemessen.
Weist ein Stoff während der Messung mittels DSC im gemessenen Temperaturbereich einen Phasenübergang auf, zum Beispiel durch Änderung des Aggregatszustands oder der Kristallstruktur, so lässt sich dies mittels DSC gut verfolge. Die meisten Phasenübergänge gehen mit Energieaufnahme (endotherm) oder -Abgabe (exotherm) einher welche als Wärmestromänderung detektiert werden kann.
Diese Temperaturänderungen misst die DSC durch ein bzw. mehrere Thermoelemente, die am Probenhalter anliegen und so die exakte Probentemperatur mit der Umgebungstemperatur und einer Referenzprobe vergleichen. Aus dem Unterschied zwischen Referenz und Probe lässt sich dann der exakte Wärmestromfluss der Probe zum gegebenen Zeitpunkt ablesen. Im Falle einer Differenz im Wärmestrom zwischen Probe und Referenz gibt das Vorzeichen der Differenz an, ob ein endothermer oder exothermer Prozess vorliegt.
Die Lage des auftretenden Effekts bei einer Auftragung gegen die Temperatur gibt zudem sehr genau an, wann dieser stattfindet. Dabei gilt: Je genauer die Messung der exakten Probentemperatur erfolgt, desto besser ist die Auflösung und Empfindlichkeit der DSC.
Bei Phasenübergängen, vor allem bei Phasenübergängen zweiter Ordnung, ist die Geschwindigkeit der Aufheizung sehr entscheidend, wie gut der Übergang detektierbar ist. Bei zu langsamer Aufheizrate sind die Effekte oft kaum zu detektieren, da der Energieunterschied zwischen Probe und Referenz vom Ofen bzw. Heizer kompensiert wird. Bei zu schnellem Heizen wird der Effekt zwar besser sichtbar, jedoch auch zu höheren Temperaturen verschoben.
