Thermodynamik

Thermodynamische Zustandsgrößen

In diesem Artikel betrachten wir die verschiedenen Zustandsgrößen der Thermodynamik, welche die Eigenschaften eines Systems in einem Zustand beschreiben.

Inhaltsübersicht

Beschreibung von Stoffen durch intensive und extensive Zustandsgrößen

Zu Beginn kannst du dir gern noch mal unser Video zu Thermodynamischen Systemen anschauen, falls du dir nicht ganz sicher bist. In diesem haben wir gelernt, dass Reinstoffe aus nur einer Art von Atomen beziehungsweise Molekülen bestehen. Luft dagegen ist ein Gasgemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und einigen anderen Gasen.

thermodynamische Zustandsgrößen
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Verschiedene Bestandteile von Luft

Um diese Stoffe jetzt beschreiben zu können, verwenden wir sogenannte Zustandsgrößen. Dabei unterscheidet man zwischen intensiven Zustandsgrößen wie zum Beispiel Druck und Temperatur oder extensiven Zustandsvariablen, wie Volumen, Entropie und Teilchenzahl.

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Die zwei Arten von thermodynamischen Zustandsgrößen

Bei der Betrachtung von Materie können wir in Masse m und Stoffmenge n unterscheiden. Die Masse ist dir sicher bekannt und wird in Kilogramm angegeben. Die Stoffmenge kennst du vielleicht aus der Chemie und hat die Einheit Mol. Hier verwendet man die sogenannte Avogadrokonstante, diese gibt die Teilchenzahl pro Stoffmenge an. Dabei sind in einem Mol 6,022 x 1023 Atome, beziehungsweise Moleküle.

Berechnung der extensiven Zustandsgröße: Stoffmenge bzw. Masse

Das heißt, die Stoffmenge ist ein Maß für die Anzahl der Teilchen. Die Masse wird meist verwendet, wenn die Zusammensetzung konstant bleibt. Also wenn wir ein Glas Wasser betrachten und nichts dazu schütten. Sobald wir irgendetwas in das Wasser geben, bietet es sich mehr an die Stoffmenge zu verwenden. Auch wenn wir Reaktionen betrachten, verwenden wir die Stoffmenge. Zwischen Masse und Stoffmenge gibt es einen stoffspezifischen Zusammenhang: die sogenannte molare Masse oder auch Molmasse. Sie ist der Proportionalitätsfaktor zwischen der Masse und der Stoffmenge.

M=\frac{m}{n}

Diese gibt an, wie viel Kilogramm ein Kilomol eines bestimmen Stoffes wiegt. Das ist für jedes Element im Periodensystem angegeben. Um die Molmasse für ein Molekül zu bestimmen, addieren wir einfach die Molmassen der einzelnen Elemente.

Berechnung de Molmasse von Wasser

Rechnen wir das jetzt für Wasser – also H zwei O – einmal durch: Wasserstoff hat eine Molmasse von 1 und Sauerstoff eine Molmasse von 16 Kilogramm pro Kilomol.

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Die Molmasse von Wasser

Damit erhalten wir für Wasser eine Molmasse von:

M_{H2O}=2M_H+M_O=2\ast 1\frac{kg}{kmol}+16\frac{kg}{kmol}=18\frac{kg}{kmol}

Formel zur Berechnung des Volumens und der spezifischen Dichte

Das Volumen V kennst du sicher auch und wird in Kubikmeter angegeben. Oft betrachten wir aber das spezifische, beziehungsweise molare Volumen, je nachdem, ob wir die Masse oder die Stoffmenge betrachten wollen.

V_{spezifisch}=\frac{V}{m}
V_{molar}=\frac{V}{n}

Das spezifische Volumen bildet dabei einfach den Kehrwert der Dichte \rho

\rho=\frac{m}{V}

Der Druck p kommt dir sicher auch bekannt vor und wird in Pascal angeben. Wahrscheinlich kennst du die Einheit Bar besser. Ein Bar entspricht dabei 105 Pascal.

Wir werden uns weitere Zustandsgrößen und Klassifizierung in anderen Artikeln anschauen. Aber jetzt hast du schonmal einen ersten Eindruck davon bekommen, was Zustandsgrößen überhaupt sind.

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