Grundlagen der Thermodynamik und Thermochemie

Grundlagen der Thermodynamik und Energie

Energie: Die Fähigkeit eines Systems oder einer Organisation, Arbeit zu verrichten oder Wärme zu übertragen. Energie wird weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt.

Chemische Energie: Die Energie, die durch Bindungen zwischen Atomen, Ionen und Molekülen entsteht, aus denen die einzelnen Stoffe bestehen. Sie ist in chemischen Verbindungen gespeichert, die durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden.

Arbeit: Ein Mechanismus des Energietransfers zwischen Körpern auf der Grundlage der Anwendung von Kraft.

Wärme: Thermische Energie, die natürlich oder spontan zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird.

Temperaturänderung: q = c_s · m · ΔT.

Thermodynamische Prinzipien und Zustände

Thermodynamik: Die Beziehung zwischen Energie und den zwei Mechanismen für den Austausch mit der Umwelt: Wärme und Arbeit.

Gleichgewichtszustand: Die klassische Thermodynamik befasst sich nur mit Transformationen zwischen stationären Systemzuständen, also solchen, deren Variablen sich nicht mit der Zeit ändern. Es werden Variablenänderungen untersucht, wenn das System zwischen zwei Zuständen (Anfangs- und Endzustand) das Gleichgewicht erreicht; es wird jedoch nicht betrachtet, wie der Prozess verlief, um von einem zum anderen zu gelangen.

Thermodynamische Variablen

• Intensiv: Der Wert hängt nicht von der Größe des Systems ab.
• Extensiv: Der Wert hängt von der Größe des Systems ab.

Zustandsfunktion: Wenn ihr Wert nur vom Anfangs- und Endzustand des Systems abhängt und nicht vom Weg, der dazwischen eingeschlagen wurde (z. B. die Innere Energie). Wärme und Arbeit sind keine Zustandsfunktionen.

Innere Energie: Sie ist gleich der Summe aus kinetischer und potenzieller Energie der Teilchen, aus denen das System besteht.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Jedes System hat eine thermodynamische Eigenschaft, die Innere Energie genannt wird. Diese nimmt einen charakteristischen Wert für jeden Zustand an und steigt, wenn das System Wärme absorbiert oder Arbeit verrichtet wird: ΔU = q + w.

Thermodynamische Prozesse

• Isochorer Prozess (Konstantes Volumen): Wenn sich das Volumen des Systems nicht ändert (isochor): ΔU = q_v.
• Isobarer Prozess (Konstanter Druck): Die Wärmeübertragung bei konstantem Druck entspricht der Enthalpieänderung. Diese Wärme bei konstantem Druck (q_p) ist eine Zustandsfunktion: H = U + pV.
• Isotherme Zustandsänderung: q = -w.
• Adiabatische Zustandsänderung: ΔU = w.

Thermochemie und Reaktionsenthalpie

Thermochemie: Beschäftigt sich mit der Untersuchung der Wärmeänderungen, die bei chemischen Reaktionen auftreten.

• Endothermer Prozess: Das System absorbiert Wärme.
• Exothermer Prozess: Das System gibt Wärme ab.

Thermochemische Gleichung: Eine ausgeglichene chemische Gleichung, in der die thermodynamischen Parameter explizit angegeben sind.

Standardbedingungen: Standarddruck 1 bar = 10⁵ Pa = 0,987 atm. Die Standardtemperatur beträgt 25 °C. Für gelöste Stoffe gilt eine Konzentration von 1 M.

Enthalpie-Diagramm: Eine schematische grafische Darstellung der Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion.

Der Satz von Hess und Bindungsenergie

Hess'scher Satz: Die Enthalpie einer chemischen Reaktion hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab. Ihr Wert ist unabhängig davon, ob die Reaktion in einem oder mehreren Schritten erfolgt. Definition: Wenn eine chemische Reaktion als algebraische Summe anderer Reaktionen ausgedrückt werden kann, ist die Reaktionsenthalpie gleich der Summe der Enthalpien der Teilreaktionen.

Bindungsenergie: Die Energie, die benötigt wird, um ein Mol einer Bindung zu brechen, wobei die Moleküle in der Gasphase vorliegen.

Entropie: Wird als Maß für den Grad der molekularen Unordnung eines Systems interpretiert. Je höher die innere Ordnung ist, desto niedriger ist die Entropie.