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Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Chemische Thermodynamik

Chemische Thermodynamik

Die chemische Thermodynamik (oder Thermochemie) ist der Zweig der Thermodynamik, der die thermischen Auswirkungen chemischer Reaktionen untersucht, die als Reaktionswärme bezeichnet werden. Die chemische Thermodynamik bezieht sich daher auf die Umwandlung von chemischer Energie in Wärmeenergie und umgekehrt, die während einer Reaktion auftritt, und untersucht die damit verbundenen Variablen wie Bindungsenthalpie, Entropie der Standardbildung usw. Alle diese Umrechnungen erfolgen im Rahmen der Gesetze der Thermodynamik.

Zusätzlich zu den thermodynamischen Prinzipien gibt es zwei Gesetze, die die gesamte Disziplin der Thermochemie regeln:

  • Lavoisier- und Laplace-Gesetz (1780 formuliert): Die Wärmeübertragung, die mit einer bestimmten chemischen Reaktion einhergeht, ist dieselbe und widerspricht der Wärmeübertragung der entgegengesetzten Reaktion.
  • Hess'sches Gesetz (formuliert 1840): Die Variation der Reaktionsenthalpie ist dieselbe wie die Reaktion in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden und unabhängigen Stadien (sogar rein hypothetisch).

Die beiden Gesetze wurden empirisch abgeleitet und vor dem ersten Prinzip der Thermodynamik formuliert: Man kann jedoch nachweisen, dass sie direkte Konsequenzen haben und dass die Enthalpie H und die innere Energie U thermodynamische Funktionen des Zustands sind.

Die chemische Thermodynamik umfasst nicht nur Labormessungen verschiedener thermodynamischer Eigenschaften, sondern auch die Anwendung mathematischer Methoden zur Untersuchung chemischer Fragen und der Spontaneität von Prozessen.

In der photovoltaischen Solarenergie spielt die chemische Thermodynamik beim Laden und Entladen von Batterien eine besondere Rolle. Während dieses Prozesses findet ein Austausch zwischen chemischer Energie und Elektrizität statt.

Beschreibung der chemischen Thermodynamik

Das Hauptziel der chemischen Thermodynamik ist die Festlegung eines Kriteriums zur Bestimmung der Durchführbarkeit oder Spontanität einer bestimmten Umwandlung. Auf diese Weise wird die chemische Thermodynamik in der Regel verwendet, um Energieaustausche vorherzusagen, die in den folgenden Prozessen auftreten: chemische Reaktionen, Phasenänderungen, Lösungsbildung.

Für die chemische Thermodynamik sind vor allem folgende Zustandsfunktionen von Interesse: innere Energie (U), Enthalpie (H), Entropie (S), Gibbs-freie Energie (G).

Die Struktur der chemischen Thermodynamik basiert auf den ersten beiden Hauptsätzen der Thermodynamik. Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik lassen sich vier Gleichungen ableiten, die als "Gibbs-Grundgleichungen" bezeichnet werden. Aus diesen vier können mit relativ einfacher Mathematik eine Vielzahl von Gleichungen abgeleitet werden, die die thermodynamischen Eigenschaften des thermodynamischen Systems in Beziehung setzen. Dies beschreibt den mathematischen Rahmen der chemischen Thermodynamik.

Thermodynamische Systeme

In der Thermochemie gibt es mehrere sehr nützliche thermodynamische Definitionen. Ein thermodynamisches System ist der spezifische Teil des Universums, der untersucht wird. Alles außerhalb des Systems wird als Umgebung oder Umwelt betrachtet. Ein System kann sein:

  • Ein thermodynamisches (vollständig) isoliertes System, das keine Energie oder Materie mit der Umgebung austauschen kann, z. B. ein isoliertes Pumpenkalorimeter.
  • Ein thermisch isoliertes System, das mechanische Arbeit, aber keine Wärme oder Materie austauschen kann, z. B. ein isolierter geschlossener Kolben oder Ballon.
  • Ein mechanisch isoliertes System, das Wärme austauschen kann, jedoch keine Arbeit oder mechanische Stoffe enthält, z. B. ein nicht isoliertes Pumpenkalorimeter
  • Ein geschlossenes System, das Energie austauschen kann, aber egal ist, wie ein geschlossener Ballon oder Kolben ohne Isolierung
  • Ein offenes System, das Materie und Energie mit der Umwelt austauschen kann, beispielsweise ein Topf mit kochendem Wasser

Chemische Reaktionen

In den meisten Fällen, die für die chemische Thermodynamik von Interesse sind, gibt es interne Freiheitsgrade und Prozesse wie chemische Reaktionen und Phasenübergänge. Diese chemischen Reaktionen erzeugen immer eine Entropie, es sei denn, sie befinden sich im Gleichgewicht oder werden in einem kontinuierlichen Gleichgewicht gehalten.

Selbst bei homogenen Materialien hängen die Funktionen der freien Energie von der Zusammensetzung ab, ebenso wie alle umfangreichen thermodynamischen Potentiale, einschließlich der inneren Energie.

Geschichte der chemischen Thermodynamik

1865 schlug der deutsche Physiker Rudolf Clausius in seiner Theorie der mechanischen Wärme vor, die Prinzipien der Thermochemie, beispielsweise die bei Verbrennungsreaktionen entstehende Wärme, auf die Prinzipien der Thermodynamik anzuwenden. Basierend auf der Arbeit von Clausius veröffentlichte der amerikanische mathematische Physiker Willard Gibbs zwischen 1873 und 1876 eine Reihe von drei Artikeln, der berühmteste war das Dokument über die Bilanz heterogener Substanzen.

In diesen Artikeln zeigte Gibbs, wie die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik grafisch und mathematisch gemessen werden können, um sowohl das thermodynamische Gleichgewicht chemischer Reaktionen als auch ihre Tendenzen zu bestimmen, aufzutreten oder sich vorwärts zu bewegen. Gibbs 'Sammlung von Dokumenten lieferte den ersten einheitlichen Satz thermodynamischer Theoreme aus den Prinzipien, die von anderen wie Clausius und Sadi Carnot entwickelt wurden.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wandten zwei wichtige Veröffentlichungen die von Gibbs entwickelten Prinzipien erfolgreich auf chemische Prozesse an und legten damit die Grundlagen für die Wissenschaft der chemischen Thermodynamik. Das erste war das Lehrbuch Thermodynamik und chemische Freie Energie von 1923 von Gilbert N. Lewis und Merle Randall. Dieses Buch war dafür verantwortlich, die chemische Verwandtschaft mit dem Begriff freie Energie im englischsprachigen Raum zu ersetzen.

Das zweite Buch war das von EA Guggenheim verfasste Buch Modern Thermodynamics von 1933. Lewis, Randall und Guggenheim gelten als Begründer der modernen chemischen Thermodynamik aufgrund des großen Beitrags dieser beiden Bücher zu Vereinheitlichen Sie die Anwendung der Thermodynamik auf die Chemie.

 

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Geändert am: 24. September 2019