Homogenität

Homogenität (von ὁμός homόs „gleich“ und γένεσις genesis „Erzeugung, Geburt“, also etwa: gleiche Beschaffenheit) bezeichnet die Gleichheit einer physikalischen Eigenschaft über die gesamte Ausdehnung eines Systems oder auch die Gleichartigkeit von Elementen eines Systems. Der Begriff besitzt einen weiten Anwendungsbereich und kann im Einzelnen unterschiedliche Bedeutungen enthalten. Eine Maßnahme oder Methode, mit der ein Material oder System homogen gemacht oder seine Homogenität erhöht wird, heißt Homogenisierung.

Gegensätze zur Homogenität

Homogen, heterogen, inhomogen

Was nicht homogen ist, wird inhomogen oder aber heterogen genannt.

Zwischen diesen beiden Begriffen ist meist zu unterscheiden, der Wortgebrauch ist etwas schwankend.

Ein Körper aus einheitlichem Material, aber mit von Ort zu Ort schwankender Dichte wird beispielsweise als inhomogen bezeichnet.
Heterogen (zwei- oder mehrphasig) ist dagegen ein Körper aus makroskopisch verschiedenartigen Bestandteilen, etwa eine Betonplatte mit Stahlbewehrung.

In der Abbildung sind von links nach rechts die Unterschiede von Homogenität, Heterogenität und Inhomogenität bildlich dargestellt.

Physik

In der Physik ist Materie, atomar betrachtet, grundsätzlich nicht homogen, da die Bausteine der Materie keine gleichmäßige Raumfüllung aufweisen. Schon im Atom selbst ist die Masse- und Ladungsverteilung nicht homogen, da sie sich ungleich auf den Atomkern und die Atomhülle verteilt. Wenn die Atome oder Moleküle jedoch annähernd gleichmäßig (nicht notwendigerweise mit der Regelmäßigkeit eines Kristallgitters, aber ohne makroskopische Schwankungen von Ort zu Ort) verteilt sind, ist die Materie aus praktischer Sicht homogen.

Außerdem wird der Begriff auf Felder angewendet. Ein Feld, z. B. ein Magnetfeld, heißt homogen, wenn die Feldstärke an jedem Ort gleich ist, sonst inhomogen. Homogene Felder zeichnen sich durch gerade, parallele und gleichmäßig verteilte Feldlinien aus. Wenn es sich um Gradientenfelder handelt, sind die Äquipotentialflächen parallele Ebenen, die von den Feldlinien rechtwinklig durchstoßen werden. Während Dipole von inhomogenen Feldern ausgerichtet und angezogen werden, üben homogene Felder auf Dipole zwar ausrichtende Momente, aber keine anziehenden Kräfte aus. Beispiele für näherungsweise homogene Felder sind:

Das elektrische Feld in einem Plattenkondensator.
Das magnetische Feld in einer langen Spule.
Das Schwerefeld auf der Erdoberfläche, sofern die Abmessungen der Versuchsanordnung sehr klein im Vergleich zur Erde sind.

Schließlich spricht man in der theoretischen Physik von der Homogenität des Raums, wenn man ausdrücken möchte, dass physikalische Gesetze invariant gegenüber der Translation sind. Daraus folgt nach dem Noether-Theorem, dass der Impuls eine Erhaltungsgröße ist.

Abhängigkeit vom Größenmaßstab

Ein Beispiel für Materie, die auf mikroskopischer Ebene heterogen ist, makroskopisch betrachtet dagegen homogen erscheint, ist Milch. Mikroskopisch sind in der Milch Bereiche zu unterscheiden, die Fett enthalten, sowie solche, die Wasser enthalten. Und obwohl beide sich nicht vermischen können, sind beide Bereiche so klein, dass sie makroskopisch betrachtet homogen verteilt erscheinen. Gleichwohl kann es in solchen Gemischen passieren, dass sich ihre Anteile mit der Zeit trennen und im Fall der Milch diese auch makroskopisch nicht mehr homogen erscheint, da ihre wässrigen Bereiche sich klar von ihren fettreichen Bereichen (Sahne) unterscheiden. Um diese Entmischung bzw. Separation zu verhindern, kann man z. B. mit Hilfe des Homogenisierens für eine auch nach längerer Zeit noch gleichmäßige Verteilung von Fett und Wasser sorgen.

In der Chemie sind homogene Stoffe entweder Reinstoffe oder homogene Gemische, unter die auch Lösungen fallen.

Bedeutung homogener Stoffe

Die Gewinnung hinreichend homogener Ausgangsmaterialien oder Zwischenprodukte für die Industrie, wie bei der Herstellung der diversen Halbleiterkomponenten der modernen Elektronik- und Computerindustrie, gehört zu den Schlüsselproblemen der wissenschaftlich-technischen Entwicklung. Sie erfordert (vor allem bei der Gewinnung von Reinststoffen und/oder der Verringerung ihrer Fehlertoleranzen) oft hohen Aufwand.

Folgen der chemischen Homogenität

Homogene Materie hat überall die gleiche Dichte und Zusammensetzung. Wenn in einem großen Behälter mit einem homogenen Stoff, z. B. mit einem Gas, an einer Stelle eine Teilmenge V₁ betrachtet wird, so enthält diese dieselbe Stoffmenge wie eine Teilmenge mit demselben Volumen V₁ an anderer Stelle. Teilt man die gesamte Stoffmenge auf zwei gleich große Volumina auf, so enthalten sie die jeweils gleich große Stoffmenge (in diesem Fall jeweils die Hälfte der ursprünglichen). Daraus folgt:

Die Stoffmenge ist für homogene Substanzen bei gleich bleibendem Druck und gleich bleibender Temperatur proportional zum Volumen, oder umgekehrt:

Das Volumen V homogener Substanzen ist bei gleich bleibendem Druck p und gleich bleibender Temperatur T proportional zur Stoffmenge n.

Für T = const und p = const gilt also:

V\sim n\qquad {\frac {V}{n}}={\text{const}}\qquad {\frac {V_{1}}{n_{1}}}={\frac {V_{2}}{n_{2}}}

.

Diese Gesetze gelten für alle homogenen Stoffe, solange Temperatur und Druck unverändert bleiben, einschließlich für ideale Gase, für die die thermische Zustandsgleichung idealer Gase gilt. Der Quotient ${\tfrac {V}{n}}=V_{m}$ heißt Molvolumen, der Quotient ${\tfrac {n}{V}}=c$ ist die Konzentration. Die genannten Beziehungen sind auch die Grundlage der Volumetrie.

Für homogene Substanzen gelten auch die Beziehungen

V\sim m\qquad {\frac {m}{V}}=\rho

.

Literatur

Brockhaus Enzyklopädie. 19. Auflage, Mannheim 1988.

Weblinks

Wiktionary: homogen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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