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"Sammelt keine Reichtümer, auf daß die Motten und der
Rost...". "Alles ist
vergänglich, nur der Tod währet ewiglich" - An
Bibelsprüchen, Sprichwörtern, bon mots und Zitaten über die
Vergänglichkeit alles Irdischen ist kein Mangel. Alles scheint
vergänglich, insbesondere das von Menschenhand geschaffenene. Aber auch
Berge und Wälder, selbst Sonnensysteme und schwarze Löcher vergehen;
es dauert nur vielleicht ein bißchen länger. |
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Komisch eigentlich. Atome währen bekanntlich
ewiglich, wenn man mal von den paar unstabilen
Isotopen, die einige
Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung immer noch nicht zerfallen sind,
absieht. |
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Was immer auch "verging", die Atome
sind noch da. Was also ist "vergangen"? |
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Da der Tod ewiglich währen soll (obwohl das
eigentlich viele Religionen, und neuerdings auch eine kleine radikale
Minderheit von
Physikern bestreitet), untersuchen wir mal die Frage, was ein totes und ein lebendiges (biologisches) System
eigentlich unterscheidet - und zwar im physikalisch - thermodynamischen Sinne,
nicht im biologisch - philosophischen Sinne. Das ist eine in der Quantentheorie
sehr berühmte Frage, bekannt unter dem Stichwort "Schrödingers Katze".
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Was wir sicher sagen können ist,
daß nach ausreichend langer Zeit nach dem Tode, alle Atome, die
früher mal das lebendige System konstituierten, noch da sind - allerdings
in anderer und sehr viel regelloserer Anordnung. |
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Komplexere Moleküle sind zerfallen in
einfachere, eine Menge Sauerstoffverbindungen haben sich gebildet (die
gasförmigen sind auf und davon), einiges Wasser ist versickert, manches
ist verdunstet und Teil der Atmosphäre geworden, manches ist von
größeren oder kleineren Lebewesen in andere Stoffe umgesetzt worden
- im Großen und Ganzen liegt die Bibel nicht ganz falsch mit dem
"Erde zu Erde" Spruch. |
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In anderen Worten: Der Haufen Atome,
der mal Wilhelm, Victoria oder Albert hieß, ist jetzt sehr viel
unordentlicher geworden. Wilhelms Entropie hat sich kräftig erhöht,
und er ist viel näher am thermodynamischen Gleichgewicht als zu
Lebzeiten. |
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Interessant ist die Frage, woran man
eigentlich ganz kurz nach Eintreten eines (gewaltlosen, d.h. adiabatischen (=
keine Wärmeänderung)) Todes erkennt, daß das System jetzt tot ist? |
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Atomanordnungen, und damit Wellenfunktion, freie
Energie etc. haben sich eigentlich nicht wesentlich geändert; zumindest
gibt es keine Aussagen dazu. |
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Noch pointierter: Ist der Tod ein
Phasenübergang 1. oder 2. Ordnung? Das wäre im Prinzip
meßbar. Ist er kein Phasenübergang, ist er thermodynamisch nicht
vorhanden. Vielleicht ist das Schrödinger- Katze Paradoxon gar keines,
weil quantenmechanisch die Wellenfunktion von toter und lebendiger Katze sich
±Dt vom Todeszeitpunkt gar nicht
unterscheiden? |
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Aber genug philosophiert. Wir
definieren jetzt Altern für
technisch-wissenschaftliche Zwecke als: |
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Altern ist eine in der Regel unerwünschte
Änderungen einer Systemeigenschaft,
die durch Alterungsprozesse eines oder mehrerer der Materialien aus denen das System besteht
verursacht wird. |
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Ein System kann dabei eine Waschmaschine, ein
Düsentriebwerk, ein Radreifen bei ICE Zügen, ein Chip, oder
überhaupt alles sein. Eigenschaftsänderungen, insbesondere Defekte
("kaputtgehen"), sind jedoch bei technischen Systemen immer an Änderungen in mindestens einem
Material gekoppelt - bei biologischen Systemen ist das vielleicht anders,
siehe oben. |
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Es gibt kein Altern ohne
Änderungen an einem Material, an der "Hardware"! |
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Oft faßt man den Alterungsbegriff in der
Materialwissenschaft noch schärfer und redet von
Materialversagen (engl.:
"Failure"). Damit wird ganz deutlich, daß nur unvorhergesehene,
durch Alterungsprozesse verursachte negative Eigenschaftsänderungen gemeint
sind. |
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Damit stellen wir die Frage nach den
Mechanismen, die zu in der Regel langsamen
Änderungen der Materialeigenschaften im Zuge des Alterns führen. |
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Allgemeine Alterungsmechanismen |
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Was man sofort verstehen kann, ist
die Tendenz aller Systeme und Materialien,
dem
thermodynamischen
Gleichgewicht möglichst nahe zu kommen. Das wird immer nur in Stufen
möglich und sinnvoll definierbar sein, denn im totalen und universellen
Gleichgewicht wäre alle Materie im Universum homogen verteilt, d.h. ein
stark verdünntes "eigenschaftsloses" Gas. Materialien, wie wir
sie kennen, sind immer mehr oder weniger weit vom Gleichgewicht entfernt; sie
haben damit eine eingebaute Tendenz zur Änderung im Laufe der Zeit. |
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Für konkrete Materialien in endlichen Zeiten, die sich
selbst überlassen sind (d.h. mit der Umwelt keinen Kontakt haben)
muß die Frage lauten, ob ein Zustand mit kleinerer freier Enthalpie (oder, bei gegebenem
Volumen, freier Energie) existiert und mit endlicher Wahrscheinlichkeit
kinetisch erreichbar ist. |
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Genauer gesagt fragen wir in diesem Fall bei einem gegebenem
Material danach, ob es in einem metastabilen Zustand vorliegt der sich im Laufe
der Zeit in einen stabileren umwandeln
kann. Das ist ein Unterschied zur Frage, ob es sich in den stabilsten Zustand umwandelt! |
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Klar ist auch, daß Materialien, die sich im
"echten" thermodynamischen Gleichgewicht befinden oder zumindest in
einem tiefen Nebenminimum, per Definitionem nicht altern können solange
sie nicht von außen "Anstöße", oder besser gesagt,
Energie erhalten. |
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Wir wissen bereits, daß viele technisch
wichtige Materialien sich in einem metastabilen Zustand befinden und (bei
normalem Gebrauch) auch in diesem Zustand bleiben. Beipiele dafür sind:
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Glas: Der kristalline
Zustand ist bei Raumtemperatur stabiler als der amorphe. Eine Umwandlung
erfolgt aber nur sehr langsam- es kann für technisches Glas Jahrtausende
dauern |
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Diamant: Stabil ist bei
Normaldruck eigentlich immer Graphit; bei höheren Temperaturen erfolgt
auch eine Umwandlung. |
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Stahl: Würde Stahl
sich in die stabile Raumtemperaturkonfiguration des
Ferrit plus
großr Graphitausscheidungen begeben, würden sämtliche
Wolkenkratzer sofort einfallen und auch sonst noch manches Unglück
passieren. Denn die Festigkeit von gutem Stahl beruht auf dem bei
Raumtemperatur vorhandenenm feinverteiltem Zementiti (Fe3C). Noch
schlimmer wäre gehärteter Stahl, der die metastabilen Phase Martensit enthält. |
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Wir müssen also, um der Alterung auf die Spur
zu kommen, uns zunächst anschauen, welche Wege es in Richtung
thermodynamisches Gleichgewicht für die technischen Materialien und
Systeme gibt, die mit der Umgebung kaum wechselwirken, also weitgehend als
abgeschlossen betrachtet werden
können. |
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Wir müssen aber auch noch andere Situationen
berücksichtigen, nämlich die nicht
abgeschlossenen Systeme. Denn schon die immer vorhandene
elektromagnetische Strahlung - das Licht -
kann zu Veränderungen in Materialien führen, die sich im Laufe der
Zeit als Altern äußern. |
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Alterung ist damit ein Sammelbegriff für
viele verschiedene Phänomen, denen hauptsächlich gemeinsam ist,
daß es sich um ein eher unerwünschtes Phänomen handelt. Im
nächsten Unterkapitel wollen wir versuchen, die verschiedenen
Alterungsmechanismen und Phänomene zu sortieren und zu klassifizieren.
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© H. Föll (MaWi 1 Skript)
