Thermodynamik

• Temperatur oder Wärme ist ein Maß für die Energie eines Systems

  • Wärmeenergie entsteht bei mechanischen oder elektrischen Vorgängen
  • Temperatur wird in Kelvin (K) ausgedrückt
  • Absolute Temperatur ist das Maß für die kinetische Energie der Teilchen
  • Bei T = 0 K gibt es keine thermische Energie
  • T < 0 K ist nicht möglich
• Nullter Hauptsatz der Thermodynamik:

  • Beschreibt Systeme A, B und C im thermischen Gleichgewicht
• Erster Hauptsatz der Thermodynamik:

  • Innere Energie U umfasst chemische Bindungskräfte und thermische Energien
  • Änderungen der inneren Energie E U durch Wärme (E Q) oder Arbeit (E W) in das System
  • Innere Energie ändert sich nur durch Austausch von Wärme oder Arbeit mit der Umgebung
• Energieerhaltungssatz:

  • Energie geht weder verloren noch entsteht sie aus dem Nichts
  • Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden
  • In geschlossenen Systemen bleibt die Energie konstant
• Wärmeausdehnung:

  • Änderung der geometrischen Abmessungen eines Körpers durch Temperaturänderung
  • Relative Längenänderung hängt von Temperaturänderung und Ausdehnungskoeffizienten ab
  • Eisen hat einen Ausdehnungskoeffizienten von 12.2 * 10^-6 K^-1
• Wärmeleitung:

  • Übertragung von Wärme durch mikroskopische Kollisionen von Teilchen und Bewegung von Elektronen innerhalb eines Körpers
• Wärmefluss ist die Änderung der Wärme Q über die Zeit
• Wärmeleitung ist Wärmetransport ohne Materietransport
• Der Wärmestrom hängt ab von der Temperaturdifferenz ΔT, der Fläche A, der Dicke d des Materials und der Wärmeleitfähigkeit des Materials
• Wärmekapazität bestimmt, wie die Temperatur (T) und die Energie (Q) zusammenhängen
• Die spezifische Wärmekapazität bestimmt wie die Temperatur (T) und die Energie (Q) pro Masse (m) zusammenhängen
• Wenn das Wasser gefriert, fällt die spezifische Wärmekapazität sprunghaft ab
• Die latente Wärme wird benötigt, um den Aggregatzustand zu ändern
• Aggregatzustände hängen nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Druck ab
• Entropie beschreibt die Anzahl der dem System zugänglichen Zustände

  • Entropieerhöhung erlaubt dem System mehr Zustände einzunehmen
  • Beim Schmelzen von Eis nimmt die Entropie zu, da die geordnete Eiskristallstruktur in ungeordnete Bewegung einzelner Wassermoleküle übergeht
• Je mehr verschiedene Mikrozustände ein Makrozustand umfasst, desto größer ist seine Entropie

  • Systeme mit vielen Varianten und Mikrozuständen haben eine hohe Entropie
  • Systeme mit wenigen Varianten und Mikrozuständen haben eine niedrige Entropie
• Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropieänderung in einem abgeschlossenen System immer größer oder gleich null ist
• Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik:

  • Die Entropieänderung in einem abgeschlossenen System ist immer größer oder gleich null
  • Im Gleichgewicht hat die Entropie innerhalb eines abgeschlossenen Systems das Maximum erreicht
• Die Änderung der Gibbs-Energie bestimmt die Richtung, in der ein Prozess abläuft
• Eine exergone Reaktion (ΔG < 0) ist spontan, während eine endergone Reaktion (ΔG > 0) nicht spontan ist
• Enthalpie (H) ist die Summe aus der inneren Energie (U) und dem Produkt aus Druck p und Volumen V

  • Enthalpie umfasst die Energie, die zur Erstellung des Systems erforderlich ist, und die Menge an Arbeit, um Platz zu schaffen
• Gibbs-Energie (G) ist die Enthalpie (H) minus dem Produkt aus der absoluten Temperatur (T) und der Entropie (S)

  • Die Gibbs-Energie wird auch als „verfügbare Energie“ oder „freie Enthalpie“ bezeichnet
  • Änderung der Gibbs-Energie bestimmt die Richtung, in der ein Prozess abläuft
• Exergone Reaktion (ΔG < 0; spontan)

  • Endergone Reaktion (ΔG > 0; nicht spontan)
  • Änderung der Gibbs-Energie bestimmt die Richtung, in der eine Reaktion abläuft
• Ein Enzym senkt die Aktivierungsenergie, um eine thermodynamisch günstige Reaktion mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen
• Die Kopplung zweier Reaktionen ermöglicht eine Gesamtreaktion, wenn eine Reaktion thermodynamisch sehr günstig und die andere ungünstig ist
• Die Kopplung zweier Reaktionen erfordert, dass sie in der gleichen Umgebung vorkommen
• Um den Zustand eines Gases zu beschreiben, werden Temperatur (T, in K), Volumen (V, in m³), Druck (p in Pa) und Teilchenzahl (N) benötigt
• Intensive Zustandsgrößen ändern sich nicht bei einer anderen Menge desselben Stoffes, wie Temperatur (T) und Druck (p)
• Extensive Zustandsgrößen hängen von der Stoffmenge ab, wie Volumen (V), Teilchenzahl (N) und Masse (m)
• Das Gesetz von Boyle-Mariotte besagt, dass bei konstanter Temperatur das Produkt aus Volumen und Druck konstant ist
• Die ideale Gasgleichung ist pV = nRT, wobei p der Druck, V das Volumen, n die Stoffmenge, R die universelle Gaskonstante und T die Temperatur ist
• Isotherme Zustandsänderungen treten bei konstanter Temperatur auf
• Isobare Zustandsänderungen treten bei konstantem Druck auf
• Isochore Zustandsänderungen treten bei konstantem Volumen auf
• Adiabatische Zustandsänderungen erfolgen ohne Wärmeaustausch und nur als Arbeit an die Umgebung
• Die kinetische Gastheorie besagt, dass Gase aus vielen einzelnen Atomen/Molekülen bestehen, die eine mittlere Geschwindigkeit haben
• Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschreibt die Verteilung der Geschwindigkeiten der Gaspartikel