Physikalische Chemie
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Name: Elisabeth, 2024-01
Innere Energie (U)
Die innere Energie einer Reaktion ist nicht direkt fühlbar, messbar etc, jedoch ist sie zum Beispiel bei Verbrennungen nachweisbar. Sie beschreibt die Summe aller Energien eines abgeschlossenen Systems und umfasst verschiedene Energieformen.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Eine Änderung der inneren Energie (ΔU) eines Systems wird durch die Summe der verrichteten Arbeit (ΔW) am oder vom System und der zugeführten Wärme (ΔQ) beschrieben.
ΔU = ΔQ + ΔW
Diese Gleichung stellt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik dar, welcher besagt, dass in einem abgeschlossenen System die Gesamtenergie konstant ist und keine Energie erzeugt oder vernichtet werden kann, sondern nur in verschiedene Formen umgewandelt werden kann.
Daher ist die innere Energie grundlegend für das Verständnis der Energieumwandlungen. Um bei verschiedenen Vorgängen die Energiebilanz analysieren zu können und ein besseres Verständnis für die Energieerhaltung zu gewinnen, benötigt es eine gute Kenntnis über die innere Energie.
Enthalpie (H)
Die Enthalpie beschreibt die freiwerdende oder absorbierte Wärmeenergie bei einer Reaktion. In der Thermodynamik spielt die Enthalpie eine große Rolle, da sie helfen kann, den Fluss von Wärme innerhalb eines Systems zu verstehen.
Die Änderung der Enthalpie wird durch die Formel ΔH = ΔU + p ·ΔV beschrieben, wobei ΔU die Änderung der inneren Energie im System ist, p der Druck und ΔV das Volumen.
Es wird deutlich, dass die Änderung der Enthalpie eines Systems nicht nur von der inneren Energie abhängig ist, sondern auch vom Druck und der Umgebung (V).
- Wenn ΔH negativ ist, handelt es sich um eine exotherme Reaktion. (Wärme wird abgegeben)
- Wenn ΔH positiv ist, handelt es sich um eine endotherme Reaktion. (Wärme wird absorbiert)
Freie Enthalpie (G)
Die freie Enthalpie ist ein wichtiges Konzept in der Thermodynamik, da sie die Spontanität sowie die Richtung einer Reaktion vorhersagt.
- Wenn ΔG kleiner ist als 0, so ist die Reaktion freiwillig und läuft vermutlich spontan ab, da Energie frei wird und die Entropie (S) zunimmt. Dadurch sind die Produkte energieärmer und stabiler als die Edukte.
- Wenn ΔG größer ist als 0, so ist die Reaktion nicht spontan und es wird Energie benötigt.
Das ΔG allein beschreibt allerdings nur die Richtung, in die die Reaktion verläuft, wenn sie gestartet wird. Eine entscheidende Rolle für den endgültigen ΔG-Wert und die Reaktionsrichtung spielen die genauen Werte von der Enthalpieänderung (ΔH) und der Entropieänderung (ΔS).
ΔG = ΔH - T · ΔS
Entropie (S)
Die Entropie beschreibt die natürliche Unordnung und Unvorhersehbarkeit eines Systems. Die Entropie kann durch verschiedene Faktoren erhöht werden:
Durch Temperaturerhöhung wird die Bewegung der Teilchen erhöht und die Unordnung in dem System steigt.
Außerdem kann dadurch eine Aggregatzustandsänderung von fest (s) zu flüssig (l), fest (s) zu gasförmig (g), flüssig (l) zu gasförmig (g) hervorgerufen werden. Diese erhöhen die Entropie, da die Teilchen eine veränderte Anordnung erhalten und mehr Bewegungsfreiheit haben.
Eine Zunahme der Teilchenzahl oder Volumenzunahme führen auch zu einer Zunahme der Unordnung, da dadurch der Raum, in dem sich die Teilchen des Systems bewegen können, an Volumen zunimmt.
Des Weiteren führen Temperatur-/ Druck- oder Konzentrationsausgleiche zwischen verschiedene Teilen eines Systems zu einer erhöhten Entropie.
Ein geordneter Zustand bedeutet ein negatives ΔS.