Merken

Übersicht Enthalpie/ Entropie/ Freie Enthalpie - Wie misst man Energie Chaos und Instabilität?

Zitierlink des Filmsegments
Embed Code

Automatisierte Medienanalyse

Beta
Erkannte Entitäten
Sprachtranskript
Herrschaften, ich darf Sie begrüßen zu unserem Kursus „Physikalische Chemie“. Mein Name ist Dr. Lauth und heute geht es um die Zusammenfassung einiger wichtiger Energiegrößen. In der Thermodynamik haben wir es mit einer Reihe von Energiegrößen und energieartigen Größen zu tun, die zunächst etwas gewöhnungsbedürftig sind. Ich will Ihnen heute einen Überblick über die wichtigsten dieser Größen geben, über H (Enthalpie), S (Entropie) und G (Freie Enthalpie)
Die Thermodynamik betrachtet die Welt in einer für sie eigenen Perspektive: Wir betrachten SYSTEME, die sich in einem ZUSTAND befinden. Diesen Zustand beschreiben wir mit sog. ZUSTANDSGRÖSSEN (Eigenschaften des Systems), zum Beispiel mit den bekannten Größen Druck p, Temperatur T Volumen V, Masse m etc. Die Thermodynamik erfindet
zusätzlich noch weitere Eigenschaften eines Systems – meist energieartige Eigenschaften. Diese Eigenschaften ändern sich naturgemäß, wenn wir den Zustand ändern. Die Änderung von einem Anfangs- zu einem Endzustand nennt man thermodynamischen PROZESS Von großer Bedeutung sind die Frage nach der
Änderung der Energie während eines Prozesses, die Frage nach der Änderung des "Ordnungszustandes" oder Chaos während eine Prozesses und - ganz besonders wichtig - die Frage nach der Änderung der Instabilität bzw. Stabilität während eines Prozesses. Defizit Um diese Fragen quantitativ, d.h. mit Zahlen zu beantworten, brauchen wir die neuen Zustandsgrößen H, S und G. Zu jeder wichtigen Zustandsgröße gibt es einen Hauptsatz, der eine universelle Gesetzmäßigkeit mit dieser Zustandsgröße verknüpft. Wir starten unsere Übersicht mit der Zustandsgröße H das ist die Enthalpie. Die Enthalpie ist ein Maß für die Menge an Energie, die in einem System enthalten ist. Je größer der Energieinhalt eines Systems, desto größer ist auch die Enthalpie. Die Enthalpie wurde unter anderem deshalb eingeführt. um den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik knapp zu formulieren. Der Erste Hauptsatz ist der Energieerhaltungssatz und besagt: "Die Gesamtenergie des Universums ist konstant." Um diesen Hauptsatz für einen Prozess anzuwenden, muss man die Energien bzw. Enthalpien der beteiligten Systeme kennen. Wir werden gleich einige Beispiele diskutieren. Jede Größe in der Naturwissenschaft muss messbar sein. Zwar ist der Absolutwert der Enthalpie einer Messung nicht zugänglich, aber Änderungen der Enthalpie sind sehr gut messbar. Jede WÄRME, die bei einem spontanen isobaren Prozess gemessen wird, entspricht einer Enthalpiedifferenz delta H. Die Prozessgröße Wärme wird in diesem speziellen Fall zur Änderung einer Zustandsgröße. Die Enthalpie hängt von mehreren Eigenschaften des Systems ab unter anderem von der Temperatur, von der Phase, und von der chemischen Zusammensetzung, Die Enthalpie hat keinen "natürlichen" Nullpunkt. in der Chemie arbeitet man in der Regel mit den Standardbildungsenthalpien; hierbei wird willkürlich allen Elemente bei 25°C die Enthalpie Null zugeordnet. (Die Entropie und die Freie Enthalpie besprechen wir später) Wir schauen uns zunächst einen physikalischen Prozess "durch die Energiebrille" an Wir wenden den Ersten Hauptsatz auf einen physikalischen
Kreisprozess an, auf eine CARNOT-Maschine Eine Carnot-Maschine arbeitet zwischen zwei Temperaturniveaus T1 und T2; T1 ist die hohe Temperatur, T2 ist die niedrige Temperatur. Wärme Q1 fließt aus dem "oberen" Temperaturniveau in die Carnot-Maschine, diese
gibt Arbeit W an die Umgebung ab und außerdem fließt eine weitere Wärme Q2 in das "untere" Temperaturniveau. In dieser Form arbeitet die Carnot-Maschine als Wärmekraftmaschine. Was fordert der Erste Hauptsatz für diesen Prozess? Der Erste Hauptsatz fordert die Erhaltung der Gesamtenergie. Wir sehen im Carnot-Prozess drei Energiegrößen Aufgenommene und abgegebene Energien müssen dem Betrage nach gleich sein: Q1 plus Q2 plus W gleich Null. Aufgrund der Vorzeichenkonvention können wir die Energiebilanz wie folgt formulieren: Q1 plus Q2 plus W(rev) gleich Null. Dies ist der Kommentar des ersten Hauptsatzes bei diesen zu diesem Prozess Nach
dem Ersten Hauptsatz wäre es auch möglich, dass Q2 gleich Null ist; vorausgesetzt Q1 entspricht dem Negativen von W(rev). Wir werden gleich sehen, dass dieser Fall nach dem zweiten Hauptsatz nicht möglich ist. Der Erste Hauptsatz ist eine Art Buchhalter im Universum - er passt auf, dass keinerlei Energie verloren geht. Eine weitere wichtige Größe, welche die Thermodynamik neu einführt, ist etwas schwerer fassbar als
die Energiegröße Enthalpie - es ist die Entropie (abgekürzt mit dem Buchstaben S) Die Entropie ist ein Maß für das "Chaos" in einem System Maß für die Unordnung Maß für die Energieverteilung Maß für die negative Information Bei allen im Universum beobachteten Prozessen kann die Entropie niemals abnehmen. Die Entropie kann nur gleichbleiben (im reversiblen Fall) oder zunehmen. Aktionen Dies ist die Aussage des Zweiten Hauptsatzes: Die Entropie - das Chaos im Universum - nimmt niemals ab. Die Messung der Entropiedifferenz geschieht wiederum über eine Wärme Der Quotient aus reversibler Wärme, die bei einem Prozess auftritt oder (in einem Ersatzprozess) auftreten würde dividiert durch die Temperatur ergibt eine Art "reduzierter Wärme", welche der Entropieänderung entspricht. Die Entropie hängt genau wie die Enthalpie von Temperatur, Phase und chemischer Struktur ab. Zusätzlich hängt die Entropie noch ganz deutlich von der Verdünnung ab. Je verdünnter ein System ist, desto größer ist sein Chaos, desto größer ist seine Entropie Die Entropie hat - im Gegensatz zur Enthalpie einen "natürlichen" Nullpunkt Dies ist die Aussage des Dritten Hauptsatzes "Die Entropie eines idealen Kristalls beträgt bei 0 Kelvin Null." (zur freien Enthalpie kommen wir später) Wir betrachten nun wieder unsere Carnot-Maschine
und betrachten jetzt denselben Kreisprozess durch die "Entropiebrille" Wo sind hier Entropieänderungen festzustellen? Der erste Hauptsatz gilt nach wie vor und ist von den folgenden Betrachtungen unberührt. Wir betrachten den Prozess unter Entropieaspekten: Das Temperaturniveau T1 gibt Wärme ab (und das sogar reversibel), das bedeutet. Die Entropie im Temperaturniveau T1 sinkt um den Betrag Qrev2 durch T1. Im Temperaturniveau T2 nimmt die Entropie zu; die
Wärme wird aufgenommen und zählt
als positive Größe. Entropieänderung delta S2 gleich Qrev2 durch T2. Nach dem Zweiten Hauptsatz muss die Summe der Entropieänderungen niemals negativ sein kann. Sie ist bei irreversiblen Vorgängen größer als Null. Nur im Grenzfall der
reversiblen Vorgänge - so wie hier beim idealisierten CARNOTschen Prozess - ist sie gleich Null. Die Summe der beiden Entropieänderungen ergibt also mindestens gleich Null
- im reversiblen CARNOT Prozess beträgt die Summe exakt Null. Dies fordert der Zweite Hauptsatz
für die CARNOT-Maschine und dies beschränkt nun den Wirkungsgrad eta. Wir kombinieren die beiden Gleichungen für den Ersten und Zweiten Hauptsatz und berechnen den Quotienten minus W durch Q1. (so ist der Wirkungsgrad eta definiert)
Wir sehen, dass der Wirkungsgrad immer kleiner als eins sein muss. Eine CARNOT-Maschine (und jede andere reversible Wärmekraftmaschine) kann die Wärme Q1 niemals vollständig in Arbeit umwandeln. Der bestmögliche Wirkungsgrad beträgt im reversiblen Fall T1 minus T2 durch T1. Bei einer Temperatur T1 von 600 Kelvin und Temperatur T2 von 300 K dann kann bestenfalls die Hälfte der aufgenommenen Wärme Q1 in Arbeit umgewandelt werden. Diese Limitierung gilt für jede Wärmekraftmaschine, z.B. auch für ein Wärmekraftwerk oder einen OTTO-Motor. Wärme
ist eine "unedle" Energieform und kann in die "edle" Arbeit nur zu einem bestimmten Anteil umgewandelt werden. Das obere Limit setzt der CARNOTsche Wirkungsgrad. Ursache
für diese Begrenzung ist der zweite Hauptsatz. Wir können Enthalpie und Entropie in geeigneter Weise zusammenfassen, um die extrem nützliche Zustandsgröße Freie Enthalpie G zu erhalten. G ist ein Maß
für die Instabilität eines Systems. Für die Ermittlung der Größe G muss nicht das gesamte Universum betrachtet werden, sondern wir können uns auf die Betrachtung des Systems beschränken. Der Zweite Hauptsatz lautet nun: "Die Freie Enthalpie G (ein Maß für die Instabilität) nimmt spontan niemals zu." Man kann G ausrechnen aus H und S mit der GIBBS-HELMHOLTZ-Gleichung ausrechnen. G ist auch messbar als Nutzarbeit, die bei einem reversiblen (Ersatz)-Prozess auftreten würde. Die Freie Enthalpie hängt - genau wie H und S - ist von den vier Faktoren Temperatur, Phase, chemische
Struktur und Verdünnung ab (die wir schon bei H und S aufgelistet haben) und der
willkürliche Nullpunkt von G sind die Elemente bei 298 Kelvin. Jeder Prozess - egal ob physikalisch, chemisch oder biochemisch - kann durch Angabe von 3 "Deltas" (Änderungen thermodynamischen Zustandsgrößen) charakterisiert werden: die Prozess-Enthalpie delta H (ein Maß für die Energieänderung), die Prozess-Entropie delta S (ein Maß für die Änderung des Verteilungszustands der Energie), und delta
G (ein Maß für die Änderung der Instabilität) Wenn die Reaktionsenthalpie positiv ist spricht man von einem endothermen Prozess. (Enthalpie des Endzustands größer als die Enthalpie des Ausgangszustands) im umgekehrten Falle, wenn die Enthalpie abnimmt, sprechen wir von einem exothermen Prozess. Wenn wir die Änderung des "Chaos" während eines Prozesses betrachten, können wir unterscheiden zwischen einem endotropen Prozess (bei dem das Chaos im System zunimmt) und einem exotropen Prozess (bei dem das Chaos lokal im System abnimmt). Am wichtigsten ist die Veränderung der Freien Enthalpie (der Instabilität)- Bei Zunahme der Freien Enthalpie (Endzustand instabiler als Anfangszustand) sprechen wir von einem endergonischen Prozess Wenn delta G negativ ist (Endzustand stabiler als Anfangszustand) haben wir einen exergonischen
Prozess. Man kann diese Betrachtungsweise auf beliebige physikalische und chemische Prozesse anwenden. Ein Beispiel, welches wir schon diskutiert haben, ist die Carnot-Maschine; ein weiteres Beispiel ist die Verdunstung von Wasser bei 25°C; Anfangszustand: ausschließlich flüssiges Wasser bei 25°C Endzustand: ausschließlich gasförmiger Wasserdampf bei 25°C und 1 bar. Durch die Energiebrille betrachtet sehen wir das folgende Enthalpie-Profil: Beim Prozess von reinen Anfangszustand zum reinen Endzustand nimmt die Enthalpie zu Der Enthalpie-Zuwachs dieses endothermen Vorgangs beträgt 44 Kilojoule pro Mol. Durch die Entropiebrille betrachtet erkennen wir eine Zunahme des Chaos im System. Der Entropieunterschied zwischen dem reinen
Ausgangszustand und dem reinen Endzustand beträgt 119 Joule pro mol und Kelvin. - ein endotroper Prozess. Am wichtigsten ist die Veränderung der Freien Enthalpie Wir sehen in diesem Profil eine Zunahme der Instabilität vom reinen flüssigen Wasser zum reinen gasförmigen Wasserdampf. Delta G° beträgt 8,6 Kilojoule pro Mol bei diesem endergonischen Prozess. Der Endzustand ist zwar instabiler als der Anfangszustand, es existiert jedoch zwischen Anfangszustand und Endzustand ein Minimum der Freien Enthalpie; entsprechend einem Maximum der Stabilität: dies ist das Gleichgewicht des Prozesses. Wasser wird bis zu diesem Reaktionsstand xi verdunsten, dann wird der Prozess makroskopisch zum Stillstand kommen. Aus der Freien Enthalpie delta G° kann man die Gleichgewichtskonstante des Prozesses berechnen - die Freie Enthalpie hat hier ein Minimum. Zum Abschluss ein Beispiel eines chemischen Gleichgewichts: Die Spaltung von N2O4 ist energetisch betrachtet ein endothermer Prozess. Die Enthalpie eines Mols Ausgangsstoff N2O4 beträgt 9,368 Kilojoule; die Enthalpie von zwei Mol NO2 beträgt 66,64 Kilojoule. Dies entspricht einer Standard-Prozess-Enthalpie von etwa 57 Kilojoule. Auch die Entropie nimmt bei dieser Dissoziation
zu: Bei einem Formelumsatz erhöht sie sich von 304,3 auf 479,6 Joule pro Kelvin. ein endotroper Vorgang. Am wichtigsten (weil wir damit direkt das Gleichgewicht erkennen und berechnen können) ist die Freie Prozess-Enthalpie. Wir sehen im entsprechenden Profil, dass die Produkte (97,7 Kilojoule) weniger instabil sind als die Edukte (102 Kilojoule). Es gibt aber einen Zustand noch geringerer Freier Enthalpie Eine Mischung bei 82 %
Umsatz hat die größte Stabilität; diese Mischung entspricht dem Gleichgewichtszustand, hier gilt das Massenwirkungsgesetz. Freiwillig werden sowohl reine Edukte als auch reine Produkte in Richtung zum Gleichgewicht hin reagieren. (Zusammenfassung Thermodynamische Energiegrößen) Enthalpie, Entropie und Freie Enthalpie sind die wichtigsten Energiegrößen in der Thermodynamik. Jeder Prozess kann durch Angabe von delta H, delta S und delta G charakterisiert werden. H
ist ein Maß für die Energie, S ist ein Maß für das Chaos, und G ein Maß für die Instabilität des Systems. Wichtig ist insbesondere die freie Enthalpie, denn das Minimum der Freien Enthalpie bestimmt die Lage des Gleichgewichts.
Gibbs-Energie
Gibbs-Energie
Besprechung/Interview
Gibbs-Energie
Bildungsenthalpie
Ordnungszustand
Vorlesung/Konferenz
Delta
Chemie
Konserve
Besprechung/Interview
Lawrencium
Kristall
Chemische Struktur
Vorlesung/Konferenz
Verdünnung
Besprechung/Interview
Delta
Besprechung/Interview
Vorlesung/Konferenz
Vorlesung/Konferenz
Besprechung/Interview
Vorlesung/Konferenz
Sonnenschutzmittel
Gibbs-Energie
Gibbs-Energie
Vorlesung/Konferenz
Verdünnung
Ausgangszustand
Delta
Reaktionswärme
Ausgangszustand
Tee
Stillstand
Ausgangsmaterial
Delta
Gleichgewichtskonstante
Homöostase
Allylverbindungen
Gemisch
Gibbs-Energie
Ausgangsmaterial
Delta
Massenwirkungsgesetz

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Übersicht Enthalpie/ Entropie/ Freie Enthalpie - Wie misst man Energie Chaos und Instabilität?
Serientitel Physikalische Chemie kompakt
Teil 1
Anzahl der Teile 9
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15223
Herausgeber Lauth, Günter Jakob
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Technische Metadaten

Dauer 18:53

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Chemie

Zugehöriges Material

Ähnliche Filme

Loading...