Wärmelehre = Thermodynamik

Zustand
fest (kristallin,glasartig,
etc.)
Wärmelehre = Thermodynamik
Zentraler Gegenstand der Thermodynamik sind die
Aggregatzustände (Phasen) und die Übergänge zwischen ihnen
Wechselwirkung
zwischen den
Bestandteilen
Stabilität
der Form
existiert
Oberfläche?
kompressibel?
Scherkräfte?
stark stabil ja wenig ja
flüssig stark nicht stabil ja wenig nein
gasförmig schwach nicht stabil nein stark nein
Plasma stark nicht stabil nein stark nein
Zwischenformen, z.B.: Flüssigkristalle, weiche Materie wie Polymere
Schmelzen: Volumenzunahme um 10-20 % (Ausnahmen: Wasser, Bi, Ga)

Wärmelehre = Thermodynamik
Wärme ist ungeordnete Molekülbewegung,
Wärmeenergie ist deren kinetische Energie,
Temperatur ist ein Maß für den Mittelwert dieser Energie
Manifestation ungeordneter Molekülbewegung:
Brownsche Molekularbewegung
(geht zurück auf Botaniker Brown, der diese erstmals
1828 bei Blütenpollen in Wasser beobachtete)
Thermodynamik befasst sich mit statistischen Phänomenen großer
Teilchenzahlen
Neue SI-Einheit: das Mol
Def.: 1 mol (beachte Kleinschreibung) ist diejenige Stoffmenge,
die genauso viele Teilchen enthält wie 0.012 kg 12 C

Stoffmenge - Mol
1 mol eines Stoffes enthält N A Teilchen.
N A : Avogadro-Zahl N A = 6.0221367 · 10 23 1/mol
Es ergibt sich mit der Definition des Mols die Beziehung
0.012 kg = N A ·12 ·u
12: relative Atommasse von 12 C
u: atomare Masseneinheit (früher als „amu“ für „atomic
mass unit“ abgekürzt, aber heute der Nomenklatur nach als „u“ zu
bezeichnen (siehe Gerthsen Physik, S. 676)
u = 1.6605402(10)·10 -27 kg: Teilchen
(Vergleich: Protonenmasse: 1.00727647 · u
Neutronenmasse: 1.0086650 · u
⇒ u berücksichtigt Massendefekt (-) und
Elektronenmasse (+)
Die Aussage „x mol eines Stoffes“ bedeutet also
a) N Teilchen des Stoffes mit N = x · N A
b) eine Masse m des Stoffes mit m = N · r · u, wobei r die relative Atom-
/Molekülmasse des Stoffes ist.

1.) Beispiel:
0.2 mol Glukose ist
Stoffmenge - Mol
0.2 mol · 6.0221367 · 10 23 1/mol · 180.15768 · 1.6605402(10)·10 -27 kg =
0.0360315... kg Glukose
2.) Beispiel:
0.2 mol NaCl ist
Die relative Molekülmasse ergibt sich aus der
Molekülformel C 6 H 12 O 6 und den relativen Atommassen
C: 12.011 6 · 12.011 = 72.066
H: 1.00794 12 · 1.00794 = 12.09528
O: 15.9994 6 · 15.9994 = 95.9964
180.15768
0.2 mol · 6.0221367 · 10 23 1/mol · 29.221234 · 1.6605402(10)·10 -27 kg =
0.0058442468... kg NaCl
In Lösung liegen die Ionen frei vor, je eine Formeleinheit
NaCl hat man also zwei Teilchen. Daher ist eine mittlere
relative Atommansse einzusetzen:
Na: 22.989768, Cl: 35.4527

Probleme mit der Einheit „1 mol“
Es gibt, anders als bei der SI-Größe „Masse“ das Urkilogramm, kein Referenzobjekt.
Aus Bergmann-Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd 1:
„Aus historischen Gründen und um den Bedürfnissen der Chemiker Rechnung
zu tragen, wurde ins SI-System eine eigene Einheit für die Stoffmenge (auch
Teilchenmenge genannt) aufgenommen ...
Die Festsetzung einer besonderen Einheit (mol) für die Stoffmenge bzw. die
Teilchenzahl ist eigentlich überflüssig. Man hätte genau so gut zum Beispiel
10 24 Teilchen als Einheit nehmen können, ohne dieser Größe einen besonderen
Namen zu geben und ihr eine eigene Dimension zuzuordnen.“
Problem der unscharfen Definition: Welche Teilchenzahl bei einem Stoff
auftritt, hängt manchmal von den speziellen Bedingungen ab. Beispiele:
1.) Dissoziation von Salzen in Lösung
2.) Umlagerungsreaktionen in Lösung in Abhängigkeit vom pH-Wert
3.) Aggregation (Zusammenlagerung) gelöster Moleküle als Funktion der
Konzentration
Im Folgenden weitgehende Beschränkung auf ideale Gase (und die Phasenumwandlung
zur Flüssigkeit). Für ideale Gase (und nur für diese) gilt:
Molvolumen: Das Volumen eines Mols eines idealen Gases beträgt unter
Normalbedingungen (1013.25 mbar, 0°C) 22.4 l.

Eigenschaften des idealen Gases:
Ideales Gas
• Gas: bestehend aus Atomen und Molekülen ⇒ Fallunterscheidung:
einatomig (keine inneren Freiheitsgrade, nur Translation)
mehratomig (innere Freiheitsgrade, Translation + Rotation +
Vibration)
• Wechselwirkung nur durch elastische Stöße (“Stahlkugelmodell“)
Keine sonstigen WW, insbesondere keine Coulombkräfte, d.h. auch
keine van-der-Waals-Kräfte, die bei vielen realen Gasen wie CO 2
wichtig sind.
• Das von den Teilchen selbst eingenommene Volumen ist vernachlässigbar
gegenüber dem Gefäßvolumen
Manchmal so ausgedrückt, dass die Teilchen gar keine Ausdehnung
hätten (Idealisierung als Punktkörper). Dies ist konzeptionell
problematisch, denn Teilchen ohne Ausdehnung können im
„Stahlkugelbild“ nicht miteinander wechselwirken (stoßen).
Volumen: derjenige Raumbereich,
über den Wechselwirkung auftritt
Bereich, in dem
Masse vorliegt