Schmelzen

Grundprinzip des Schmelzens

Schmelzen oder Abschmelzen ist der Phasenübergang eines festen Stoffes oder festen Stoffgemisches in den flüssigen Aggregatzustand. Meist geschieht das durch Wärmezufuhr und/oder durch Druckerniedrigung. Das Gegenteil des Schmelzens ist das Erstarren.

Bei einem Reinstoff unter konstantem Druck ist die Schmelztemperatur eindeutig bestimmt. Schmelztemperatur und Druck zusammen heißen Schmelzpunkt. Während des Schmelzens bleibt die Temperatur konstant: Die zugeführte Wärme erhöht nicht die Temperatur, sondern wird als Schmelzenthalpie für die Änderung des Aggregatzustands verwendet. Ein Beispiel ist ein Wasser/Eis-Gemisch bei Normaldruck, das eine Temperatur von 0 °C hat.

Liegt die Schmelztemperatur eines Stoffes bei Normaldruck unterhalb der üblichen Raumtemperatur, spricht man manchmal auch vom Auftauen; das Gegenteil heißt dann Einfrieren.

Stoffgemische und Schmelzbereich

Bei Stoffgemischen ist der Schmelzvorgang komplizierter als bei Reinstoffen. Der Grund ist, dass zusätzlich die Zusammensetzung der festen und der flüssigen Phase eine Rolle spielt.

Ein Stoffgemisch schmilzt deshalb normalerweise nicht bei einer einzigen konstanten Temperatur, sondern in einem Temperaturintervall. Dieses Intervall heißt Schmelzbereich. Eine Ausnahme ist ein eutektisches Gemisch: Es verhält sich beim Schmelzen wie ein Reinstoff.

Das Verhalten eines Gemisches während des Schmelzvorgangs kann in einem Schmelzdiagramm dargestellt werden. Die flüssige Phase eines Stoffes oder Stoffgemischs nennt man Schmelze.

Zwischenphasen beim Schmelzen

Bei einigen Stoffen verläuft der Übergang vom festen zum flüssigen Aggregatzustand nicht direkt. Stattdessen treten Zwischenphasen auf, die Mesophasen heißen.

Flüssigkristalle bilden zwischen dem festen und dem flüssigen Zustand smektische und nematische Phasen. Dabei geht zuerst die Fernordnung im Kristall verloren, während eine Nahordnung bestehen bleibt.

Bei plastischen Kristallen geschieht der umgekehrte Fall: Zuerst wird die Nahordnung aufgelöst, während eine Fernordnung erhalten bleibt. Als Beispiel nennt der Artikel Adamantan. Dort besitzen die hochsymmetrischen, kugelförmigen Moleküle im plastischen Zustand Rotationsfreiheitsgrade, behalten aber ihren Platz im Kristallgitter.

Einfluss des Drucks

Im Allgemeinen hat die Flüssigkeit eines Stoffes eine niedrigere Dichte als sein Festzustand. Bei solchen Stoffen begünstigt eine Druckreduzierung das Schmelzen.

Es gibt aber Stoffe, bei denen der flüssige Zustand eine höhere Dichte hat oder haben kann als der feste Zustand. Dann kann eine Druckerhöhung das Verflüssigen fördern. Das bekannteste Beispiel ist Wasser: Es hat flüssig bei etwa 4 °C seine höchste Dichte und dehnt sich beim Gefrieren aus.

Unterkühlte Schmelzen

Eine unterkühlte Schmelze ist eine Flüssigkeit, die sich unterhalb ihrer Schmelztemperatur befindet. Sie liegt damit in einem Aggregatzustand vor, der nicht ihrem Gleichgewichtszustand entspricht. Dieser Effekt heißt auch Unterkühlung.

Unterkühlung wird bei manchen Latentwärmespeichern genutzt. Unterkühlte Schmelzen können bei der Glasübergangstemperatur in den amorphen Zustand übergehen. Besonders wichtig ist dieses Verhalten für die Eigenschaften organischer Polymere.