Grundlagen der Thermodynamik und Thermochemie

Einführung in die Thermodynamik

Die Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das den Austausch von Arbeit und Wärme bei physikochemischen Prozessen untersucht. Wenn es sich um chemische Reaktionen handelt, spricht man von Thermochemie. Sie untersucht die Energie, die in Form von Wärme, Licht oder elektrischer Energie ausgetauscht wird.

Thermodynamische Systeme

Ein thermodynamisches System ist ein Teil des Universums, der zur Untersuchung physikochemischer Prozesse isoliert wird. Alles außerhalb des Systems wird als Umgebung bezeichnet. Die Gesamtheit aus System und Umgebung bildet das Universum.

Systemarten

• Offenes System: Austausch von Materie und Energie mit der Umgebung.
• Geschlossenes System: Austausch von Energie, aber nicht von Materie mit der Umgebung.
• Isoliertes System: Kein Austausch von Materie oder Energie mit der Umgebung.

Thermodynamische Prozesse

• Reversibler Prozess: Ein Prozess, der durch mehrere Gleichgewichtszustände verläuft und durch eine kleine Änderung umgekehrt werden kann.
• Irreversibler Prozess: Ein Prozess, der nur in eine Richtung abläuft.

Zustandsänderungen

• Isotherm: Die Temperatur ändert sich nicht.
• Isobar: Der Druck ändert sich nicht.
• Isochor: Das Volumen ändert sich nicht.

Innere Energie (U)

Die innere Energie ist die Summe der Energien aller Teilchen eines Systems. Sie wird in Joule (J) gemessen und ist eine Zustandsfunktion, die vom Zustand des Systems abhängt.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz besagt, dass bei der Zustandsänderung eines Systems die Änderung der inneren Energie (ΔU) der Summe aus der ausgetauschten Wärme (Q) und der Arbeit (W) entspricht: ΔU = Q + W.

Enthalpie (H)

Die Enthalpieänderung entspricht der bei konstantem Druck mit der Umgebung ausgetauschten Wärme. Die Enthalpie ist eine Zustandsfunktion und wird in Joule (J) gemessen.

Thermochemische Gleichungen

Eine thermochemische Gleichung stellt einen Prozess dar, inklusive der beteiligten Stoffe, stöchiometrischen Koeffizienten, deren physikalischem Zustand sowie der Wärmemenge (ΔH).

• ΔH < 0: Exotherm
• ΔH > 0: Endotherm

Hess-Gesetz

Die Enthalpieänderung eines direkten Prozesses ist gleich der Summe der Enthalpieänderungen der einzelnen Teilschritte, die zum gleichen Gesamtergebnis führen.

Standardenthalpien

• Standard-Bildungsenthalpie: Enthalpieänderung bei der Bildung von 1 Mol einer Verbindung aus den Elementen im stabilsten thermodynamischen Zustand unter Standardbedingungen (25 °C). Für Elemente ist sie 0.
• Standard-Verbrennungsenthalpie: Enthalpieänderung bei der Verbrennung von 1 Mol eines Stoffes mit Sauerstoff zu CO₂ und H₂O.
• Standard-Hydrierungsenthalpie: Enthalpieänderung bei der Hydrierung von 1 Mol einer ungesättigten Substanz zu einer gesättigten.
• Bindungsenthalpie: Energie, die benötigt wird, um 1 Mol Bindungen zwischen Atomen zu brechen.

Entropie (S)

Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems. Sie wird in J/K gemessen und ist eine Zustandsfunktion.

Zweite und Dritte Hauptsatz

Zweiter Hauptsatz

Ein System entwickelt sich spontan, wenn die Entropie des Universums zunimmt. Wenn das System Wärme an die Umgebung abgibt, nimmt die Entropie der Umgebung zu.

Dritter Hauptsatz

Die Entropie eines perfekten Kristalls am absoluten Nullpunkt ist gleich Null.

Freie Energie (G)

Die Standard-freie Bildungsenthalpie (ΔG) beschreibt die Änderung der freien Energie bei der Bildung von 1 Mol einer Verbindung aus den Elementen unter Standardbedingungen.

• ΔG < 0: Der Prozess ist spontan.
• ΔG > 0: Der Prozess ist nicht spontan (in umgekehrter Richtung spontan).
• ΔG = 0: Das System befindet sich im Gleichgewicht.