Grundlagen der Thermodynamik: Systeme, Gesetze und Energie

Grundbegriffe der Thermodynamik

Die Thermodynamik untersucht die materielle Welt. Dabei wird ein Teil des Universums zur Betrachtung ausgewählt, das sogenannte System. Der Rest des Universums wird als Umgebung bezeichnet.

Klassifikation thermodynamischer Systeme

• Offene Systeme: Können Energie (in Form von Arbeit oder Wärme) und Materie mit ihrer Umgebung austauschen. Beispiel: Ein offenes Wasserglas.
• Geschlossene Systeme: Können Energie, aber keine Materie mit der Umgebung austauschen. Beispiel: Ein verschlossenes Glas mit sauren Gurken.
• Isolierte Systeme: Können weder Materie noch Energie mit der Umgebung austauschen, sodass die Gesamtenergie konstant bleibt. Beispiel: Eine Thermoskanne.

Zustand eines Systems

Ein System wird durch gemeinsame physikalische und chemische Eigenschaften definiert. In der Thermodynamik betrachten wir hierbei makroskopische Eigenschaften (Druck P, Volumen V, Masse M, Temperatur T sowie die chemische Konzentration der einzelnen Komponenten).

Gleichgewichtszustände

Die Thermodynamik befasst sich primär mit Systemen im stationären Zustand (deren Zustandsvariablen sich im Laufe der Zeit nicht ändern). Sie untersucht, wie sich die Variablen eines Systems beim Übergang zwischen zwei Zuständen – einem Anfangs- und einem Endzustand – verändern.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Jedes thermodynamische System besitzt eine Eigenschaft, die als innere Energie bezeichnet wird. Sie nimmt für jeden Zustand einen definierten Wert an und erhöht sich, wenn das System Wärme aufnimmt oder Arbeit verrichtet wird: ΔU = Q + W

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

In jedem spontanen Prozess tritt eine Zunahme der Gesamtentropie des Universums auf. Dieser Grundsatz schließt nicht aus, dass die Entropie des Systems abnimmt, setzt jedoch voraus, dass die Gesamtbilanz der Entropie positiv ist:

ΔS_Universum = ΔS_System + ΔS_Umgebung > 0

Hess-Gesetz

Die Enthalpie einer Reaktion hängt nur vom Anfangs- und Endzustand der Substanzen ab. Der Wert ist identisch, unabhängig davon, ob der Prozess in einer oder mehreren Stufen abläuft. Dieses Gesetz ermöglicht die Berechnung der Reaktionsenthalpie von Prozessen, die nicht direkt messbar sind, durch einen thermodynamischen Kreisprozess. Das Hess-Gesetz besagt, dass die allgemeine Änderung der Enthalpie unabhängig vom eingeschlagenen Weg ist:

ΔH₃ = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃ + ΔH₄