Thermodynamik und Zustandsgrößen
Hallo! Du kannst dich noch daran erinnern, dass dein Physiklehrer schon einmal das Wort Zustandsgrößen benutzt hat? Super! Innerhalb dieses Beitrags werden wir dir alles erklären, was du darüber wissen musst!
Inhaltsübersicht
Intensive und extensive Größen
Um den Zustand von Stoffen und Systemen beschreiben zu können, gibt es in der Thermodynamik sieben Zustandsgrößen. Grundsätzlich kann man zwischen intensiven und extensiven Größen unterscheiden. Zu den intensiven Größen gehören die Temperatur und der Druck, extensive Größen sind das Volumen, die innere Energie, die Enthalpie, die Gibbs-Energie und die Entropie. Aber was bedeutet intensiv und extensiv? Ganz einfach: stell dir einen Liter Wasser vor. Er hat eine Masse und eine Temperatur. Schüttet man jetzt einen halben Liter des Wassers weg, so ändert sich die Masse des Wassers, die Temperatur bleibt aber gleich. Die Masse ist also extensiv und abhängig von der betrachteten Menge und die Temperatur intensiv, weil sie unabhängig von der Menge ist.
Temperatur
Jetzt schauen wir uns die einzelnen Zustandsgrößen genauer an. Die Temperatur T kennzeichnet das thermodynamische Gleichgewicht und hat die Einheit Kelvin. Wenn zwei Körper die gleiche Temperatur haben, findet kein Wärmeaustausch statt. Haben zwei Körper eine unterschiedliche Temperatur, so fließt die Wärme immer von warm nach kalt. Sie gibt außerdem Aufschluss über die Teilchenbewegung in einem Stoff. Je mehr kinetische Energie Teilchen haben und je stärker sie deshalb aneinander reiben, desto größer ist die Temperatur.
Druck
Die nächste intensive Größe ist der Druck p. Er bezeichnet den Widerstand, den ein System dem Verkleinern des Raumes, der ihm zur Verfügung steht, entgegensetzt. Man misst den Druck in Pascal oder bar. Er kann als Quotient aus Kraft und Fläche dargestellt werden. Wichtig ist, dass du weißt, dass der Druck eine skalare Größe hat und deshalb nicht in eine bestimmte Richtung wirkt, sondern in alle Richtungen. Das ist auch der Grund wieso du deinen Arm heben kannst, obwohl von oben über 23 Tonnen Luft auf den menschlichen Körper wirken. Der Luftdruck wirkt allerdings auch von unten auf deinen Arm, wodurch sich die Belastung aufhebt.
Innere Energie
Spannender wird es dann schon mit der Inneren Energie U. Sie ist nicht messbar, allerdings können Änderungen der inneren Energie zum Beispiel durch Wärmezuführung gemessen werden. Die innere Energie hat einige verschiedene Komponenten, wie zum Beispiel die kinetische Energie der Teilchen, ihre Rotationsenergien, Energien aus chemischen Bindungen und in manchen Fällen auch radioaktive Energien. Der erste von vier Hauptsätzen der Thermodynamik definiert die Änderung der inneren Energie als die Summe aller Wärmezufuhr und aller verrichteten Arbeit am System. Die Einheit ist Kilojoule pro mol.
Enthalpie
In engem Zusammenhang mit der inneren Energie steht die sogenannte Enthalpie H. Sie beschreibt den Energiegehalt eines gesamten thermodynamischen Systems und setzt sich zusammen aus der inneren Energie U und der Volumenarbeit p V. Ihre Einheit ist wie die der Energie – Joule.
Eine Enthalpie, die in der Chemie eine wichtige Rolle spielt, ist die Standardbildungsenthalpie. Sie gibt an wie viel Energie bei der Bildung einer Verbindung freigesetzt bzw. benötigt wird. Eine Reaktion wird als exotherm bezeichnet, wenn die Standardbildungsenthalpie ein negatives Vorzeichen besitzt. Es wird also Energie frei. Als endotherm wird eine Reaktion bezeichnet, für die Energie hinzugeführt werden muss und die somit eine positive Standardbildungsenthalpie besitzt.
Gibbs-Energie
Die Enthalpie sagt also aus, ob eine Reaktion endotherm oder exotherm abläuft. Sie kann aber keine Aussage darüber treffen, ob die Reaktion dies freiwillig tut. Die Gibbs-Energie ist ein Maß dafür ob eine Reaktion freiwillig abläuft oder nicht. Ist eine Reaktion thermodynamisch günstig, so wird sie als exergon bezeichnet. Ihre Gibbs-Energie ist dann kleiner 0. Für thermodynamisch ungünstige Reaktionen gilt umgekehrt, dass ihre Gibbs-Energie größer 0 ist. Sie werden endergon genannt. Die Gibbs-Energie wird als groß G bezeichnet. Auch sie ist nicht direkt messbar, sondern nur ihre Änderung. Diese besteht aus der Enthalpie minus dem Produkt aus der Temperatur und der Entropie.
Entropie
Die Entropie ist die letzte Zustandsgröße und gibt ein Maß für die Unordnung eines Systems an. Vorstellen kann man sich das mit einem Kartendeck. Wenn man es auspackt sind alle 52 Karten sortiert und in einer Reihenfolge. Die Entropie ist hier 0. Wenn man jetzt anfängt das Deck zu mischen, erhöht sich die Entropie. Die Karten werden niemals wieder durch Mischen in ihren Ausgangszustand zurückkehren, da es extrem viele mögliche Anordnungen gibt, aber nur eine richtige.
Wenn man dieses Beispiel auf die Thermodynamik überträgt, dann stellen die geordneten Karten die Teilchen in einem System bei einer Temperatur von 0 Kelvin dar. Die Entropie ist hier 0 und erhöht sich mit der Temperatur. Die Veränderung der Entropie delta S ist für reversible Vorgänge als das Verhältnis der übertragenen Wärme dQ und der absoluten Temperatur definiert.
Jetzt weißt du, wie thermodynamische Systeme in der Physik und Chemie beschrieben werden!
Mach’s gut und bis bald!