Thomas Heisig

Thermodynamik in der Physikalischen Chemie

Die Thermodynamik ist ein zentraler Bestandteil der physikalischen Chemie, der sich mit Energieumwandlungen und den Prinzipien chemischer Reaktionen befasst. Sie liefert das theoretische Fundament, um chemische Prozesse zu beschreiben, vorherzusagen und zu kontrollieren.

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1. Was ist Thermodynamik?

• Definition: Untersuchung der Energie und ihrer Umwandlungen in physikalischen und chemischen Systemen.
• Fokus:
  • Wie Energie in Form von Wärme und Arbeit übertragen wird.
  • Wie Systeme im Gleichgewicht oder im Fluss miteinander interagieren.
  • Wie thermodynamische Größen wie Temperatur, Druck und Volumen chemische Reaktionen beeinflussen.

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2. Grundkonzepte der Thermodynamik

2.1 Systeme und Umgebungen

• System: Der Bereich, der untersucht wird (z. B. eine chemische Reaktion in einem Reaktor).
• Umgebung: Alles außerhalb des Systems, das mit ihm Energie oder Materie austauschen kann.
• Typen von Systemen:
  • Offen: Austausch von Energie und Materie mit der Umgebung.
  • Geschlossen: Nur Energieaustausch.
  • Isoliert: Kein Austausch von Energie oder Materie.

2.2 Zustandsgrößen

• Definition: Eigenschaften, die den Zustand eines Systems beschreiben.
• Beispiele: Temperatur (T), Druck (P), Volumen (V), Energie (U), Entropie (S), Enthalpie (H).

2.3 Prozesse

• Isotherm: Temperatur bleibt konstant.
• Isobar: Druck bleibt konstant.
• Isochor: Volumen bleibt konstant.
• Adiabatisch: Kein Wärmeaustausch mit der Umgebung.

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3. Die Hauptsätze der Thermodynamik

3.1 Erster Hauptsatz (Energieerhaltung)

• Energie kann weder geschaffen noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden.
• Mathematische Darstellung: ΔU=Q+W\Delta U = Q + WΔU=Q+W
  • ΔU\Delta UΔU: Änderung der inneren Energie.
  • QQQ: Wärmezufuhr.
  • WWW: Arbeit am System geleistet.

3.2 Zweiter Hauptsatz (Entropie und Spontaneität)

• Die Entropie eines abgeschlossenen Systems nimmt bei spontanen Prozessen zu.
• Chemische Reaktionen verlaufen in die Richtung, die die Gesamtentropie des Systems und der Umgebung erhöht.
• Formel: ΔSgesamt>0\Delta S_{\text{gesamt}} > 0ΔSgesamt​>0

3.3 Dritter Hauptsatz (Absolute Entropie)

• Die Entropie eines perfekten Kristalls bei 0 Kelvin ist null.
• Liefert eine Basis zur Berechnung der Entropie bei anderen Temperaturen.

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4. Freie Energie und chemische Reaktionen

4.1 Gibbs-Energie (G)

• Zeigt an, ob ein Prozess spontan abläuft.
• Formel: G=H−TSG = H – TSG=H−TS
  • GGG: Gibbs-Energie.
  • HHH: Enthalpie.
  • TTT: Temperatur.
  • SSS: Entropie.
• Spontaneität:
  • ΔG<0\Delta G < 0ΔG<0: Spontan.
  • ΔG>0\Delta G > 0ΔG>0: Nicht spontan.

4.2 Gleichgewichtskonstante und Gibbs-Energie

• Verbindung zwischen chemischem Gleichgewicht und Gibbs-Energie.
• Formel: ΔG=−RTln⁡K\Delta G = -RT \ln KΔG=−RTlnK
  • KKK: Gleichgewichtskonstante.
  • RRR: Universelle Gaskonstante.

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5. Anwendungen der Thermodynamik in der Chemie

5.1 Reaktionsenthalpie (H)

• Messung der Wärmeänderung während einer chemischen Reaktion.
• Exotherme Reaktionen: Wärme wird freigesetzt (ΔH<0\Delta H < 0ΔH<0).
• Endotherme Reaktionen: Wärme wird aufgenommen (ΔH>0\Delta H > 0ΔH>0).

5.2 Gleichgewichtszustände

• Vorhersage des chemischen Gleichgewichts basierend auf ΔG\Delta GΔG.
• Temperaturabhängigkeit des Gleichgewichts (Van’t-Hoff-Gleichung).

5.3 Phasengleichgewichte

• Analyse von Übergängen zwischen Aggregatzuständen (z. B. Schmelzen, Verdampfen).
• Diagramme wie das Phasendiagramm zur Veranschaulichung.

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6. Methoden der Thermodynamik

6.1 Kalorimetrie

• Messung der Wärmemengen, die bei chemischen Reaktionen freigesetzt oder absorbiert werden.

6.2 Thermogravimetrie

• Untersuchung von Massenänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur.

6.3 Statistische Thermodynamik

• Verbindung zwischen mikroskopischen Eigenschaften (z. B. Molekülbewegungen) und makroskopischen Zuständen (z. B. Druck, Temperatur).

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7. Weiterführende Themen

• Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik: Untersuchung irreversibler Prozesse.
• Chemische Potentiale: Analyse der Stoffverteilung in Mischungen.
• Thermodynamik in der Biochemie: Beschreibung von Energieflüssen in biologischen Systemen.

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8. Literatur- und Quellenverzeichnis

Primärquellen

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2018). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
2. Laidler, K. J., & Meiser, J. H. (1999). Physical Chemistry. Houghton Mifflin.

Sekundärquellen

1. McQuarrie, D. A., & Simon, J. D. (1997). Physical Chemistry: A Molecular Approach. University Science Books.
2. Alberty, R. A., & Silbey, R. J. (2004). Physical Chemistry. Wiley.

Online-Ressourcen

1. Chemistry LibreTexts: Umfangreiche Sammlung thermodynamischer Konzepte.
2. Royal Society of Chemistry: Ressourcen zur Thermodynamik.