Ändert sich die Entropie während eines Phasenwechsels?

Ändert sich die Entropie während eines Phasenübergangs? Ein genauerer Blick

Phasenübergänge, wie das Schmelzen von Eis oder das Verdampfen von Wasser, sind allgegenwärtige Phänomene, die mit einer Veränderung der makroskopischen Ordnung eines Stoffes einhergehen. Aber was geschieht dabei mit der Entropie, einem Maß für die Unordnung oder den thermodynamischen Wahrscheinlichkeit eines Systems? Die einfache Antwort lautet: Ja, die Entropie ändert sich während eines Phasenübergangs. Die Art der Veränderung hängt jedoch vom spezifischen Übergang ab und ist nicht immer intuitiv.

Betrachten wir zunächst den Übergang von einem geordneten Festkörper zu einer weniger geordneten Flüssigkeit, beispielsweise das Schmelzen von Eis. Im Eis sind die Wassermoleküle in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet. Beim Schmelzen wird diese Ordnung durch die zugeführte Wärmeenergie gestört. Die Moleküle gewinnen an kinetischer Energie und bewegen sich freier, wodurch die Anzahl der möglichen mikroskopischen Zustände des Systems drastisch zunimmt. Diese Zunahme an mikroskopischen Zuständen entspricht einer Zunahme der Entropie. Der Prozess ist irreversibel; Eis schmilzt nicht spontan zurück zu Eis bei konstanter Temperatur, wenn keine Energie abgeführt wird.

Das Gegenteil findet beim Erstarren statt. Hier geht die Flüssigkeit in den festen Zustand über. Die Moleküle verlieren kinetische Energie und ordnen sich wieder in einem Kristallgitter an. Die Anzahl der möglichen mikroskopischen Zustände nimmt ab, was zu einer Abnahme der Entropie führt. Dieser Prozess ist ebenfalls irreversibel unter den gleichen Bedingungen.

Wichtig ist zu beachten, dass die Entropieänderung während eines Phasenübergangs nicht nur von der Änderung der Ordnung abhängt, sondern auch von der Wärmemenge, die während des Übergangs ausgetauscht wird. Diese Wärmemenge wird durch die latente Wärme beschrieben. Die Entropieänderung (ΔS) lässt sich mit der Formel ΔS = Q/T berechnen, wobei Q die zugeführte oder abgeführte Wärmemenge und T die absolute Temperatur während des Phasenübergangs ist. Da die Temperatur während eines Phasenübergangs konstant bleibt, ist die Entropieänderung direkt proportional zur zugeführten oder abgeführten Wärmemenge.

Betrachten wir nun weitere Phasenübergänge: Der Übergang von Flüssigkeit zu Gas (Verdampfen) führt ebenfalls zu einer deutlichen Entropiezunahme, da die Moleküle im gasförmigen Zustand viel mehr Bewegungsfreiheit haben als in der Flüssigkeit. Die umgekehrte Reaktion, die Kondensation, führt folglich zu einer Entropieabnahme. Sublimations- und Desublimationsvorgänge zeigen ähnliche Entropieveränderungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Während eines Phasenübergangs ändert sich die Entropie immer. Ob die Entropie zunimmt oder abnimmt, hängt von der Richtung des Übergangs ab und ist eng mit der Änderung der Ordnung und der zugeführten oder abgeführten Wärmemenge verknüpft. Diese Änderungen sind intrinsisch mit der Irreversibilität der Phasenübergänge unter konstanten äußeren Bedingungen verbunden. Die Berechnung der genauen Entropieänderung erfordert die Kenntnis der latenten Wärme und der Temperatur des Übergangs.