Kurz gesagt Atome als Bausteine der Materie Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern (positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen) und einer negativ geladenen Hülle (Elektronen). Der Kern enthält praktisch die Gesamtmasse des Atoms. Jedes chemische Element (Ordnungszahl Z) besteht aus Atomen mit Z Protonen im Kern und Z Elektronen in der Hülle. Atomarten eines Elements mit unterschiedlich vielen Neutronen heißen Isotope. Kernladungszahl Z = Zahl der Protonen = Zahl der Elektronen = Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Atomare Masseneinheit u: 1 u = 1,66·10−27 kg (1 u = 1/12 der Masse des Kohlenstoffatoms 12C) Die Masse von Atomen und Molekülen wird in Vielfachen (relative Atommasse Ar bzw. Molekülmasse Mr) von u angegeben. Z. B. relative Molekülmasse von H2O: Mr = 1 + 1 + 16 = 18. 1Mol einer Substanz besteht aus 6·1023 Teilchen und enthält Mr Gramm der Substanz. Atomradius: einige 10−10 m, Kernradius: einige 10−15 m Elektrische Kräfte wirken zwischen Atomen und Molekülen und bestimmen die Eigenschaften von festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen. Absolute Temperatur Die absolute Temperatur T ist ein Maß für die ungeordnete thermische Bewegung der Atome und Moleküle. T wird in Kelvin (K) gemessen: T = TC + 273,15 K, wobei TC die in °C gemessene Temperatur ist. Die thermische Bewegung hört am absoluten Nullpunkt (0 K = −273,15 °C) auf. Die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines Körpers ist proportional zur absoluten Temperatur des Körpers: ‾mv 2 _ 2 = 3 _ 2 kT (k = 1,38·10−23 J/K, Boltzmann-Konstante) Fast immer dehnen sich Körper beim Erwärmen aus. Ausnahme: Anomalie des Wassers. Der Energietransport zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur erfolgt durch Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung. Die transportierte Energie wird als Wärme Q bezeichnet. Verhalten idealer Gase Das Verhalten von Gasen wird weitgehend durch das Modell des idealen Gases beschrieben: Die Teilchen eines idealen Gases besitzen im Vergleich zum mittleren Abstand eine verschwindend kleine Ausdehnung und üben aufeinander Kräfte nur durch elastische Stöße aus. Für Druck p, Volumen V und Temperatur T eines idealen Gases gilt die allgemeine Zustandsgleichung p·V = N·k·T = n·R·T R = 8,314 J/(mol·K) = allgemeine Gaskonstante, N = Zahl der Moleküle, n = Stoffmenge in mol Zustandsänderungen und Phasenübergänge Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie zur Erwärmung eines Körpers pro kg und pro K gebraucht wird. Auch Schmelzen und Verdampfen erfordert Energiezufuhr, die Schmelz- bzw. Verdampfungswärme, die beim Erstarren bzw. Kondensieren wieder frei wird. Über einer Flüssigkeit bildet sich in einem geschlossenen Gefäß gesättigter Dampf. Sein Druck steigt mit wachsender Temperatur. Die Siedetemperatur hängt vom herrschenden Druck ab (Dampfdruckkurve). Oberhalb der kritischen Temperatur existiert nur noch die Gasphase. Nahe dem Phasenübergang flüssig-gasförmig kann das Modell des idealen Gases nicht angewendet werden. Zwischen den Teilchen wirken starke Kräfte: anziehend bei größeren Abständen, abstoßend bei kleinen Abständen. Energie und Entropie Die innere Energie U ist die gesamte Energie eines thermodynamischen Systems. Sie umfasst die kinetische Energie der Wärmebewegung, zusätzlich bei mehratomigen Molekülen die Energie der Rotation und inneren Schwingungen der Moleküle, und bei Festkörpern, Flüssigkeiten und realen Gasen die Wechselwirkungsenergie zwischen den Molekülen. Erster Hauptsatz der Wärmelehre Die innere Energie U eines Körpers kann durch Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme Q und Arbeit W verändert werden: ΔU = Q +W Die Entropie S ist eine weitere Funktion, die den Zustand eines thermodynamischen Systems charakterisiert. Sie bestimmt die Richtung von thermodynamischen Prozessen (Temperaturausgleich, gleichmäßige Verteilung von Gasmolekülen im Raum, …), die von selbst ablaufen. Für die Entropie S gilt kein Erhaltungssatz. Wenn ein Körper bei der Temperatur T die Wärme Q aufnimmt, erhöht sich seine Entropie um ΔS = Q/T. Zusammengefasst gilt: 149 Thermodynamik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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