Thermodynamische Gesetze in der Chemie

Die Gesetze der Thermodynamik, angewendet auf chemische Systeme, legen fest, wie Energie bei Reaktionen erhalten bleibt, warum einige Reaktionen spontan ablaufen und wie Entropien sich einem bestimmten Grenzwert am absoluten Nullpunkt nähern.

Definition

Die thermodynamischen Gesetze in der Chemie sind das erste, zweite und dritte Gesetz der Thermodynamik, spezialisiert auf chemische Veränderungen, die die Reaktionsenergetik, die Richtung spontaner Reaktionen und die absoluten Entropien von Substanzen regeln.

Scope

Dieses Thema behandelt die chemische Anwendung der vier Gesetze: das nullte Gesetz und die Temperatur; das erste Gesetz, ausgedrückt durch innere Energie, Enthalpie und Reaktionswärmen; das zweite Gesetz, ausgedrückt durch Entropie und die Clausius-Ungleichung als Kriterium der Spontaneität; und das dritte Gesetz, das absolute Entropien zuweist und der Berechnung von Gleichgewichtskonstanten aus kalorimetrischen Daten zugrunde liegt. Die detaillierte Behandlung von Freie-Energie-Kriterien, chemischem Potenzial und Gleichgewicht wird in verwandten Themen entwickelt.

Core questions

• Wie verknüpft das erste Gesetz die Reaktionswärme bei konstantem Volumen mit der bei konstantem Druck durch innere Energie und Enthalpie?
• Warum nimmt die Entropie eines isolierten Systems nicht ab, und wie definiert dies Spontaneität?
• Wie ermöglicht das dritte Gesetz die Tabellierung absoluter Entropien und deren Verwendung in chemischen Berechnungen?
• Wie werden Zustandsfunktionen von pfadabhängigen Größen wie Wärme und Arbeit unterschieden?

Key concepts

• Innere Energie und Reaktionsenthalpie
• Entropie und die Clausius-Ungleichung
• Reversible und irreversible Prozesse
• Absolute Entropie und das dritte Gesetz
• Zustandsfunktionen versus Pfadfunktionen

Key theories

Erstes Gesetz für chemische Systeme

Die Änderung der inneren Energie eines reagierenden Systems entspricht der absorbierten Wärme abzüglich der geleisteten Arbeit; bei konstantem Druck wird dies durch die Enthalpie erfasst, wodurch die Reaktionsenthalpie eine messbare Zustandsfunktion wird, die unabhängig vom Pfad ist.

Zweites und drittes Gesetz als Kriterien und Referenz

Das zweite Gesetz macht die Entropieproduktion zum universellen Kriterium für spontane chemische Veränderungen, während das dritte Gesetz die Entropie eines perfekten Kristalls am absoluten Nullpunkt auf Null festlegt und somit absolute Entropien für Reaktionsberechnungen bereitstellt.

Clinical relevance

Diese Gesetze bilden die Grundlage für die gesamte chemische Energetik, von der bei Verbrennung freigesetzten Wärme und der Durchführbarkeit industrieller Synthesen bis hin zu den entropiegetriebenen Prozessen der Auflösung, Mischung und biologischen Selbstorganisation.

History

Die chemische Nutzung der Thermodynamik entwickelte sich aus Hess' Gesetz der konstanten Wärmesummen von 1840 und der Formulierung des ersten und zweiten Gesetzes durch Clausius und Kelvin Mitte des 19. Jahrhunderts; Nernsts Wärmetheorem von 1906, die Grundlage des dritten Gesetzes, vervollständigte den Rahmen, indem es absolute Entropien zugänglich machte.

Key figures

• Rudolf Clausius
• Walther Nernst
• Germain Henri Hess

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

Warum arbeiten Chemiker in der Regel mit Enthalpie statt mit innerer Energie?

Die meisten Reaktionen werden bei konstantem atmosphärischem Druck und nicht bei konstantem Volumen durchgeführt, und bei konstantem Druck entspricht die ausgetauschte Wärme der Enthalpieänderung, sodass die Enthalpie die direkt messbare und bequemste Energiefunktion für die Chemie ist.

Kann die Entropie eines chemischen Systems abnehmen?

Ja, lokal. Ein System kann Entropie verlieren, beispielsweise wenn ein Gas kondensiert oder ein Feststoff kristallisiert, vorausgesetzt, die Entropie der Umgebung nimmt um mindestens den gleichen Betrag zu, sodass die Gesamtentropie von System plus Umgebung nicht abnimmt.