von 293 K in einem Gefrierschrank verrichtet werden muss. Wie lange dauert es, bis das Wasser gefroren ist, wenn die Leistung des Kühlgeräts 100W beträgt?10 3.45 Alle Beziehungen, die wir zur Beschreibung von Kältemaschinen hergeleitet haben, lassen sich auch auf Wärmepumpen anwenden; dabei gewinnt man Wärme auf der „Rückseite“ einer Kältemaschine, deren „Vorderseite“ die Umgebung abkühlt. Wärmepumpen arbeiten sehr effizient und sind deshalb verbreitet zum Beheizen von Wohngebäuden im Einsatz. Vergleichen Sie das Heizen eines Zimmers bei 295 K auf zwei Wegen, (a) durch direkte Umwandlung von 1.00 kJ Elektroenergie in einem Elektroheizgerät und (b) durch den Betrieb einer reversiblen Wärmepumpe, deren Außenseite auf 260 K temperiert ist, mit 1.00 kJ Elektroenergie. Begründen Sie den Unterschied der Energien, die in den beiden Fällen an den Innenraum abgegeben werden.
Notes
1 1) In viel kleinerem Maßstab beobachtet man eine geordnete Bewegung von Teilchen, die brownsche Molekularbewegung, als „Zittern“ z. B. von in Wasser verteilten Partikeln.
2 2) Alternativ könnten wir die Umgebung auch als Reservoir mit konstantem Druck betrachten und dqUmg mit ΔHumg gleichsetzen.
3 3) Wie wir aus Abschnitt 2.2.1 wissen, gibt ΔTrans H die Enthalpieänderung pro Mol eines Stoffs an; ΔTrans S ist daher ebenfalls eine molare Größe.
4 4) Im Licht der in Abschnitt 5.1.1 diskutierten Zusammenhänge handelt es sich bei den Entropien von Ionen in Lösung genau genommen um partielle molare Entropien:Die Werte enthalten die Auswirkungen der Ionen auf den Ordnungszustand der umgebenden Lösungsmittelmoleküle.
5 5) Die Definition des Referenzzustands von Elementen ist in Abschnitt 2.2.2 zu finden.
6 6) Die Beziehung zwischen der Gleichgewichtskonstante und der Freien Standardenthalpie einer Reaktion, die wir in Abschnitt 6.1.2 herleiten werden, ist .
7 7) Die Fugazität hat die Dimension eines Drucks; der Name kommt aus dem Lateinischen und bedeutet etwa „Flüchtigkeit“.
8 8) Die mit dem Symbol ‡ gekennzeichneten Aufgaben wurden von Charles Trapp, Carmen Giunta und Marshall Cady beigesteuert.
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Physikalische Umwandlungen reiner Stoffe
2 4.1.1 Die Stabilität von Phasen
4 4.1.3 Drei typische Phasendiagramme Anwendung 4-1: Überkritische Fluide
5 4.2 Thermodynamische Betrachtung von Phasenübergängen
6 4.2.1 Die Abhängigkeit der Stabilität von den Bedingungen
7 4.2.2 Die Lage der Phasengrenzlinien
8 4.2.3 Die Klassifikation der Phasenübergänge nach Ehrenfest Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick Diskussionsfragen Leichte Aufgaben Schwerere Aufgaben
■ Zu den einfachsten Anwendungen der Thermodynamik auf chemisch relevante Systeme gehört die Diskussion von Phasenübergängen reiner Stoffe. Dazu führen wir Phasendiagramme ein, grafische Darstellungen der Druck- und Temperaturbereiche, in denen die einzelnen Phasen stabil sind. Das thermodynamische Stabilitätskriterium ermöglichst uns die Ableitung einer allgemeinen Regel, der Phasenregel, die wichtige Randbedingungen für Gleichgewichte zwischen Phasen angibt. Als Vorbereitung auf spätere Kapitel werden wir sie so allgemein formulieren, dass sie auch auf Systeme anwendbar ist, die aus mehr als einer Komponente bestehen. Danach erklären wir anhand von Beispielen für ausgewählte Systeme, wie man empirisch erhaltene Phasendiagramme interpretiert. Anschließend werden wir genauer untersuchen, welche Faktoren Lage und Form der Begrenzungslinien der Bereiche des Diagramms bestimmen. Dabei werden wir Beziehungen ableiten, die große praktische Bedeutung besitzen – beispielsweise bei der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks oder der Druckabhängigkeit des Schmelzpunkts eines Stoffs. Wir werden Prinzipien für die Klassifikation von Phasenübergängen erarbeiten; als Kriterium wenden wir die Änderung verschiedener thermodynamischer Funktionen während des Übergangs an. In diesem Kapitel werden wir überdies das chemische Potenzial einführen, eine Eigenschaft, die im Mittelpunkt unserer Diskussion von Phasenübergängen und chemischen Reaktionen stehen wird.
Verdampfen, Schmelzen oder die Umwandlung von Graphit in Diamant – all dies sind Beispiele für Phasenübergänge, die ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung des Systems verlaufen. In diesem Kapitel beschreiben wir solche Prozesse aus thermodynamischer Sicht; wir lassen uns dabei von der Erkenntnis leiten, dass freiwillige Zustandsänderungen bei konstanter Temperatur und konstantem Druck immer in Richtung kleinerer Freier Enthalpie des Systems verlaufen.
4.1 Phasendiagramme
Die physikalischen Zustandsänderungen einer Substanz lassen sich besonders knapp und übersichtlich in einem Phasendiagramm darstellen. Die folgenden Erläuterungen sind die Grundlage der Diskussion von Mischungen in Kapitel 5.
4.1.1 Die Stabilität von Phasen
■ Das Wichtigste in Kürze: (a) Eine Phase ist eine Probe einer Substanz
