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� Interpretation gegenseitiger Abhängigkeit von stofflichenund energetischen Phänomenen in der Natur
� kann voraussagen, ob eine chemische Reaktion abläuftoder nicht
� kann nichts über den zeitlichen Ablauf vorhersagen
Thermodynamik
3 Hauptsätze:� Energieerhaltungssatz� Entropiesatz� Nernstscher Wärmesatz
System: definierter Teil des Universums, der von derUmgebung abgegrenzt werden kann.
offenes System Systemgrenzen für Materieund Energie durchlässig
geschlossenes System Grenzen für Energie durchlässig,für Materie undurchlässig
isoliertes System Grenzen sowohl für Materieals auch für Energie undurchlässig
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T - Temperatur
U - Innere Energie (Gesamter Energieinhalt von Stoffen)
H - Enthalpie (Wärmeenergieinhalt von Stoffen bei konstantemDruck)
S - Entropie (Maß für den Unordnungszustand eine Systems)
F - Freie Energie (maximale Nutzarbeit bei konstantem Volumen)
G - Freie Enthalpie (maximale Nutzarbeit bei konstantem Druck)
Zustandsgrößen in der Thermodynamik
(Zustandsfunktionen)
Extensive und intensive Größen (Eigenschaften)
Intensive Größen (mit Großbuchstaben bezeichnet):
• hängen nicht von der Stoffmenge ab
• verhalten sich nícht additiv
• werden durch Division durch die Stoffmenge aus extensivenGrößen erhalten:
Vm Molvolumen = V/n
M Molmasse = m/n
U molare innere Energie = u/n
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Zustandsänderungen
isotherm �T = 0 konstante Temperatur
isochor �V = 0 konstantes Volumen
isobar �p = 0 konstanter Druck
adiabatisch �Q = 0 ohne Wärmeaustausch
isentropisch �S = 0 konstante Entropie
• Arbeit (mechanische Energie): W = Kraft × Weg
• Wärmeenergie: W = Wärme (Q)
• Elektrische Energie: W = Spannung × Ladung
• Strahlungsenergie: E = h × ν
• Chemische Energie
• Magnetische Energie
Energieformen
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Energieerhaltungssatz:
Energie kann weder aus dem Nichts entstehennoch spurlos verschwinden.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Innere Energie �U = Q + W
Zunahme oder Abnahme der inneren Energie ist gleich der Summe von aufgenommener oder abgegebener Wärme und Arbeit
Summe aller im System enthaltenen Energieformen (Ei),z.B. Wärmeenergie (Q) :
U=E1+E2+.....+En=∑=
n
i
iE1
Für isolierte Systeme
∆E1+∆E2+.....+∆En=∆U=0
Für geschlossene Systeme
∆USyst= -∆UUmg
Innere Energie U
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W = F·r
dW =-pex·dV
W =
Volumenarbeit
dVrA =⋅
W = ∫ ⋅
2
1
V
V
dVp
Expansion eines Gases:
r
A = Fläche des Kolbensr = Kolbenweg
Kompression eines Gases: ∫ ⋅−
2
1
V
V
dVp
Wärmeenergie Q: Summe der Bewegungsenergien aller in einem System enthaltenen Stoffbausteine, wobei die Bewegung in Translation, Schwingung oder Rotation der Teilchen bestehen kann.
Joule (J) = 1 N m Kalorie (K) = 4,184 J
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Wärmekapazität eines Systems: Summe der Wärme-kapazitäten seiner Komponenten (i):
iiii cncmC ∑=∑=
Molare Wärmekapazität
J·K-1·mol-1
T
Q
nCmol
∆
∆⋅=
1
Spezifische Wärmekapazität:
J·K-1·kg-1
T
Q
mC
∆
∆⋅=
1
Wärmekapazität C eines Systems
T
QC
∆
∆=
Wärmekapazität (früher Molwärme) bei konstanten Volumen:
dT
dQ
nC v
v
1=
Wärmekapazität (früher Molwärme) bei konstantem Druck:
dT
dQ
nC
p
p
1=
Für feste Elemente: Dulong-Petit`sche RegelDie Wärmekapazität hängt von der Anzahl der Atome ab und beträgt
etwa 25 J mol-1 K-1
Für Verbindungen gilt: Die Molwärme ist die Summe der Atomwärmen.
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Wärmekapazität (früher Molwärme) bei Gasen:
γ=v
p
C
C
pdV = n R dT pdVdQdQ vp +=
nRTdQdQ vp +=
)(1
dT
dQ
dT
dQ
nCC vp
vp −=−
)314,8()(1 11 −−=−
+=− molJKR
dT
dQ
dT
nRTdQ
nCC vv
vp
Für ideale Gase:
Adiabatenkoeffizient, entspricht Ausdehnungskoeffizient
Volumenarbeit
Adiabatische Expansion: Wärmeaustausch mit der Umgebung unterbunden (�Q = 0). Volumenarbeit muss aus der inneren Energie des Systems entstammen
�W = �U
Bei der adiabatischen Expansion von idealen Gasen führt die Arbeitsleistung an der Umgebung zur Abkühlung des Systems:
�W= n Cv�T
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Für die adiabatische Veränderung vom Zustand 1 zum Zustand 2 erhält man, temperaturunabhängige Cvvorausgesetzt,
)( 12
2
1
TTCn
T
T
dTCnW vv −⋅⋅=⋅⋅= ∫
Adiabatische Expansion bewirkt- Volumenzunahme- Druckabnahme- Temperatur nimmt ab- Dichte nimmt ab- innere Energie nimmt ab
Wärmereservoir
mit der
Temperatur T2
Wärmereservoir
mit der
Temperatur T1
Carnot-
Maschine
W1
W2W3
W4
q1
q2
-q1
+q2
+W3
-W1
W2
+W4
V1
V4
V2
V3T1
T2
Volumen
Dru
ck
a b
Carnot-MaschineUmwandlung von Wärme in Arbeit
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Welche Aussage über isolierte Systeme trifft zu?
(A) Sie tauschen nur Materie mit der Umgebung aus.(B) Sie tauschen nur Energie mit der Umgebung aus.(C) Sie tauschen Energie und Materie mit der Umgebung aus.(D) Sie sind durchlässig für Arbeit, aber undurchlässig für Wärme (E) Sie sind undurchlässig für Materie und Energie
Welche Aussage trifft aufgrund des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik für die isotherm durchgeführte Expansion eines idealen Gases zu?
(A) �U = � Q(B) �U = � W(C) �U = 0(D) U = 0(E) �W = 0
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• Welche der folgenden Größen sind Zustandsgrößen ?
(1) Temperatur
(2) Kompressionsarbeit
(3) Entropie
(A) nur 1 ist richtig
(B) nur 1, und 2 sind richtig
(C) nur 1 und 3 sind richtig
(D) nur 2 und 3 sind richtig
(E) 1-3 = alle sind richtig
• Welche Aussage trifft zu?
Bei der adiabatischen Kompression eines idealen Gases gilt:
(A) Änderung der Energie �U = 0
(B) Änderung der Wärmeenergie �Q = 0
(C) Änderung des Drucks �p = 0
(D) Änderung des Volumens �V = 0
(E) Änderung der Temperatur �T = 0
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• Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
Einem idealen Gas wird Wärmeenergie bei konstantem Volumen zugeführt.
(1) Es wird keine äußere Arbeit geleistet.(2) Die innere Energie nimmt zu.(3) Die Temperatur steigt.(4) Der Druck steigt.
(A) nur 1 und 2 sind richtig (B) nur 3 und 4 sind richtig(C) nur 1,2 und 3 sind richtig(D) nur 2,3 und 4 sind richtig(E) 1-4 = alle sind richtig
• Welche Aussage trifft zu?
Ein ideales Gas werde so komprimiert, dass die Kompressionsarbeit vollständig in eine Erhöhung der inneren Energie umgesetzt wird.
Es handelt sich um einen
(A) adiabatischen Prozess
(B) isothermen Prozess
(C) isochoren Prozess
(D) isobaren Prozess
(E) anderen Prozess, der vorstehend nicht aufgeführt ist.
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• Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
Der 1.Hauptsatz der Thermodynamik�U = �Q + �W(1) ist auf ideale Gase nicht anwendbar.(2) gilt auch bei festen Stoffen.(3) ist eine Form des Energieerhaltungssatzes.(4) gilt auch bei adiabatischen Prozessen.
(A) nur 3 ist richtig (B) nur 2 und 3 sind richtig(C) nur 2 und 4 sind richtig(D) nur 2,3 und 4 sind richtig(E) 1-4 = alle sind richtig