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Physikalische Chemie. Peter W. AtkinsЧитать онлайн книгу.

Physikalische Chemie - Peter W. Atkins


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      ■ In diesem Kapitel werden einige der Grundbegriffe der Thermodynamik eingeführt. Der Schwerpunkt liegt auf der Erhaltung der Energie – der experimentellen Beobachtung, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet werden kann. Wir werden zeigen, wie man dieses grundlegende Prinzip nutzt, um Energieumwandlungen bei physikalischen und chemischen Prozessen quantitativ zu erfassen. Ein großer Teil dieses Kapitels befasst sich daher mit einer sorgfältigen Analyse aller Arten des Energieaustauschs zwischen System und Umgebung in Form von abgegebener oder aufgenommener Arbeit oder Wärme. Ein Ziel des Kapitels ist die Klärung des Begriffs Enthalpie, einer Eigenschaft, die uns ermöglicht, die Abgabe oder Aufnahme von Wärme bei physikalischen Prozessen und chemischen Reaktionen bei konstantem Druck zu verfolgen. Wir werden uns auch einen ersten Eindruck davon verschaffen, wie leistungsfähig thermodynamische Algorithmen für das Erkennen von Zusammenhängen zwischen verschiedenen Zustandsgrößen eines Systems sind. Dabei wird sich zeigen, dass man unbekannte Größen des Systems, die man nicht direkt messen kann, auch indirekt durch geeignete Kombination messbarer Eigenschaften erhält – ein Aspekt der Thermodynamik, der für die praktische Arbeit nützlich ist. Mithilfe der Beziehungen, die wir in diesem Kapitel herleiten werden, können wir unter anderem die Verflüssigung von Gasen erklären und das Verhältnis der Wärmekapazitäten eines Stoffs unter verschiedenen Bedingungen ermitteln.

      Die bei einem Prozess freigesetzte Energie kann genutzt werden, um Wärme zu erzeugen (Brennstoff verbrennt in einem Ofen) oder mechanische (Brennstoff verbrennt in einer Wärmekraftmaschine) oder elektrische Arbeit (eine chemische Reaktion erzeugt einen Strom in einem Stromkreis) zu leisten. In der Chemie begegnen uns Reaktionen, die unmittelbar zur Wärme- und Arbeitsgewinnung ausgenutzt werden, Reaktionen, deren Produkte zwar benötigt werden, deren freigesetzte Energie jedoch ungenutzt (und oft zum Schaden der Umwelt) abgegeben wird, und schließlich Reaktionen, die Grundlage des Lebens selbst sind. Mithilfe der Thermodynamik, der Lehre von der Umwandlung der Energie, können wir all diese Vorgänge quantitativ auswerten.

      ■ Das Wichtigste in Kürze: (a) Um eine Bewegung gegen eine entgegen gerichtete Kraft zu bewirken, muss Arbeit geleistet werden. (b) Wärme beschreibt die Übertragung von Energie in Form von ungerichteter Bewegung auf molekularer Ebene; Arbeit ist die Übertragung von Energie in Form von gerichteter Bewegung.

      Obwohl sich die Thermodynamik im Grunde mit Beobachtungen an makroskopischen Systemen befasst, können wir unser Verständnis enorm erweitern, wenn wir die Ursachen dieser Beobachtungen aufder Ebene der Moleküle im Auge behalten. Wir werden in jedem Fall zuerst mit den makroskopischen Phänomenen beginnen, auf denen die Thermodynamik aufbaut, und anschließend die Interpretation auf molekularer Ebene betrachten.

      Grundlegende Definitionen

      Die für die Thermodynamik grundlegende physikalische Eigenschaft ist die Arbeit: Arbeit ist eine Bewegung entgegen der Wirkung einer Kraft. Bei einem Prozess wird Arbeit verrichtet, wenn er im Prinzip dazu benutzt werden könnte, ein Gewicht in der Umgebung anzuheben. Ein Beispiel wäre ein Gas, das durch Ausdehnung einen Kolben bewegt, der wiederum ein Gewicht anhebt. Auch eine chemische Reaktion, die einen Strom durch einen Widerstand fließen lässt, verrichtet Arbeit, denn dieser Strom könnte genauso gut einen Motor antreiben, der dann das Gewicht hebt.

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      Unter der Energie eines Systems verstehen wir seine Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wenn Arbeit an einem ansonsten abgeschlossenen System verrichtet wird (etwa durch Komprimieren eines Gases oder Spannen einer Feder), wächst die Fähigkeit dieses Systems, selbst Arbeit zu verrichten; seine Energie steigt also. Wenn das System Arbeit verrichtet (der Kolben gibt nach, die Feder entspannt sich), bedeutet dies eine Reduzierung seiner Energie, da es danach weniger Arbeit verrichten kann.

      Durch Experimente kann man zeigen, dass die Änderung der Energie eines Systems (seiner Fähigkeit, Arbeit zu verrichten) nicht unbedingt durch Arbeit erfolgen muss. Wenn sich die Energie eines Systems als Folge einer Temperaturdifferenz zur Umgebung ändert, sagt man: Energie wurde in Form von Wärme übertragen. Bringt man eine Heizspirale in ein Becherglas mit Wasser (unser System), steigt die Fähigkeit dieses Systems, Arbeit zu verrichten (da Wasserdampf umso stärker expandieren kann, je heißer er ist). Nicht durch alle Grenzflächen hindurch kann ein Energietransfer stattfinden, selbst dann nicht, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen System und Umgebung vorliegt. Wände, die einen Austausch von Energie in Form von Wärme erlauben, nennt man diathermisch; solche, bei denen das nicht möglich ist, heißen adiabatisch.

      Die molekulare Interpretation von Arbeit und Wärme


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