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PCGW (Subject) / Thermodynamik (Lesson)
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- Was sind die zwei unterschiedlichen Arten von Zustandsgrößen in der Thermodynamik? extensive Größe ist proportional zu Systemgröße (z.B. Volumen V , Teilchenzahl N , Entropie S ) intensive Größe ist unabhängig von Systemgröße (z.B. Temperatur T , Druck p )
- Was besagt der 0. Hauptsatz der Thermodynamik? Sei System A im thermischen Gleichgewicht mit System B. Das System B steht auch mitSystem C im thermischen Gleichgewicht. Dann sind auch die beiden Systeme A und Cmiteinander im thermischen Gleichgewicht.
- Was bedeutet thermodynamisches Gleichgewicht? Im thermodynamischen Gleichgewichtist der Druck p, sowie die Teilchenzahl N eindeutig definierbar/festgelegt. Es findet außerdem keine Wärmeübertragung statt. Ist ein System im thermischen Gleichgewicht, so kann ihm eine Zustandsgröße Temperatur zugeordnet werden.
- Was besagt der 1. Hauptsatz der Thermodynamik? Die innere Energie U eines geschlossenen Systems kann dadurch geändert werden,dass entweder ein Wärmeübertrag stattfindet oder Arbeit daran verrichtet wird. dU = δQ + δW U = innere Energie Q = Wärme W = Arbeit
- Was besagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik? Ein System geht nie von selbst in einen bedeutend unwahrscheinlicheren Zustand. Es gibt kein perpetuum mobile 2. Art : Man kann keine Arbeit dadurch leisten, dass nur ein Körper abgekühlt wird. Definition anhand Wärmeübertrag bei einem reversiblen Prozess: Entropie dS := (δQrev/T)
- Definiere das Boltzmann Postulat. Das Boltzmann Postulat beschreibt den speziellen Limes der Entropie, in dem alle relevantenMikrokonfigurationen M die gleiche Wahrscheinlichkeit ρ besitzen. Boltzmann Postulat S = Kb * ln * M Ein System besitzt M relevante Mikrokonfigurationen.
- Was besagt der 3.Hauptsatz der Thermodynamik (Nernst Theorem)? Es ist unmöglich, ein System bis zum absoluten Nullpunkt T = 0K abzukühlen. Für die Entropie gilt lim S = S0. Für ideale kristalline Festkörper gilt S0 = 0. Bemerkungen: Thermodynamische Prozessführung würde unendliche viele Schritte benötigen, um den absoluten Nullpunkt zu erreichen. Die Wärmekapazität C =Q/T verschwindet bei T = 0K, d.h. der Gleichverteilungssatz gilt dort nicht.
- Was ist ein ideales Gas in Hinblick auf die Expansion/Kompression mit Q = 0, adiabat? Keine Wechselwirkung zwischen den Teilchen Ideale Gasgleichung : p V = nRT Freie Expansion (s. Gedankenexperiment mit Ventil) : keine Temperaturänderung, da W= 0 Expansion gegen Druck: Temperatur nimmt ab, da Arbeit verrichtet wird ->Innere Energie U sinkt Kompression : Temperatur nimmt zu, da Arbeit zugeführt wird ->Innere Energie U wächst
- Was ist ein reales Gas in Hinblick auf die Expansion/Kompression mit Q = 0, adiabat? Wechselwirkung zwischen den Teilchen van-der-Waals-Gleichung : (p + a/V^2) (V − b) = nRT freie Expansion: Temperatur nimmt (meist) ab, aber innere Energie U bleibt konstant! -Arbeit zur Abstandsvergrößerung gegen die Anziehungskräfte reduziert die mittlere kinetische Energie -Überwiegen die Abstoßungskräfte zwischen den Teilchen, kann sich das Gas auch erwärmen Expansion gegen Druck: ähnlich ideales Gas, aber quantitativ anders wegen der Wechselwirkung. Kompression : ähnlich ideales Gas, aber quantitativ anders wegen der Wechselwirkung.
- Was ist die die innere Energie U? Innere Energie, U, ist die gesamte Energie eines thermodynamischen Systems, die allein durch den inneren Zustand des Systems bestimmt ist. Sie ist eine Zustandsgröße. Potenzial als Funktion von Entropie S und Volumen V. U = U(S,V) U = T * dS - p * dV = Q + W.
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- Was ist freie Energie F? Freie Energie F ist eine Transformation auf Temperatur T und Volumen V als neue Veränderliche. F(T, V ) = U − T * S
- Was ist die Enthalpie H? Enthalpie H ist Transformation auf Entropie S und Druck p als neue Veränderliche H(S, p) = U + p V
- Was ist die Freie Enthalpie G? Transformation auf Temperatur T und Druck p als neue Veränderliche. G(T, p) = U + p V − T S
- Was ist eine Zustandsgröße? Nenne Beispiele. Der thermodynamische Zustand in einem System wird durch sogenannte Zustandsgrößen beschrieben. Diese kennzeichnen den Zustand eines Systems und haben für einen bestimmten Zustand des Systems feste Werte Einige der obigen Zustandsgrößen sind direkt messbar (z.B. Druck, Volumen, Masse, Stoffmenge), andere sind nur über ihre Wirkungen messbar (Temperatur, Entropie, Enthalpie und innere Energie). Beispiel: Thermodynamische Zustandsgrößen sind beispielsweise Druck p, Volumen V, Temperatur T, Entropie S, Enthalpie H, Masse m, Stoffmenge n und innere Energie U
- Was ist die Boltzmann-Verteilung? Boltzmann-Verteilung, die Energieverteilung der Gasteilchen in einem klassischen idealen Gas, das sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, in einem weiteren Sinne die Besetzungsverteilung eines physikalischen Systems im thermischen Gleichgewicht. p(σ) = e^-E(σ)/(kB^T) / (∑e^-(E(σ)/kB^T)) =: e-E(σ)/kB^T / Z Boltzmann-Statistik mit Zustandssumme
- Was ist ein Katalysator? Als Katalysator bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herauf- oder Herabsetzung der Aktivierungsenergie.
- Was ist die Aktivierungsenergie? Die Aktivierungsenergie ist eine energetische Barriere, die bei einer chemischen Reaktion von den Reaktionspartnern überwunden werden muss. Je niedriger die Aktivierungsenergie, desto schneller verläuft die Reaktion. Eine hohe Aktivierungsenergie hemmt Reaktionen, die aus energetischen Gründen zu erwarten wären und verhindert damit die Einstellung eines (thermodynamischen) chemischen Gleichgewichts.