zurück

Thermodynamische Systeme

Innere Energie und Reaktionsenergie

Enthalpie

weiter

Innere Energie

am .

Jeder Stoff besitzt eine Innere Energie (Symbol: U). Diese setzt sich aus verschiedenen Arten von Energien zusammen:

  • Kernenergie (Nuklearenergie), die jedoch nicht Gegenstand der Chemie ist.

  • Thermische Energie, die durch die Bewegung von Teilchen zustande kommt wie z.B. bei Gasen (ungeordnete, kinetische Translationsenergie). Oder z.B. durch die Bewegung der Wassermoleküle im flüssigen Wasser. Die thermische Energie ist übrigens auch im Hinblick auf einen Reaktionsablauf von entscheidender Bedeutung (z.B. die Wucht, mit der die Teilchen bei einer chemischen Reaktion aufeinander prallen. Dies wird allerdings erst im 4. Halbjahr beim Thema Kinetik ausführlich behandelt.

  • Chemische Energie (Bindungsenergien)

    • Potentielle Energien der Atome bzw. Atomkerne, der Ionen in ihren Bindungen und der zwischenmolekularen Kräfte.
    • Schwingungsenergien der Bindungen.
    • Rotationsenergien (bei Einfachbindungen)

 

Also:

U = Ekern + Etherm + Echem

Die Innere Energie ist von verschiedenen Zustandsgrößen abhängig:
Druck (p), Volumen (V), Masse (m) bzw. Stoffmenge (n) , Temperatur (T).

Es gibt keinen Absolutwert für die Innere Energie.
Man kann lediglich Änderungen der inneren Energie messen: ΔU.

 

Änderung der Inneren Energie bei Stoffumwandlungen

Bei einer Stoffumwandlung, also einer chemischen Reaktion, werden nicht nur neue Soffe mit anderen Eigenschaften gebildet, es ändert sich auch die Innere Energie der Stoffe. Das Edukt hat eine andere Innere Energie als das Produkt. [Das gleiche gilt natürlich auch bei einer chemischen Reaktion, die mehrere Edukte und Produkte aufweisen.]

 

Die Änderung der inneren Energie eines stofflichen Systems bei Stoffumwandlungsprozessen wird als Reaktionsenergie bezeichnet:

ΔrU

 

Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Voraussetzungen, unter denen chemische Reaktionen ablaufen:

  • Bei Reaktionen unter isochoren Bedingungen, also bei konstantem Volumen (V) wird die Änderung der Inneren Energie als Reaktionswärme QVbezeichnet.

    ΔrU = QV

    Beispiele:
    • Reaktionen in einem Druckbehälter, in dem Gase an der Reaktion beteiligt sind. So kann ein bei einer Reaktion entstehendes Gas in einem Druckbehälter keine Volumenänderung herbeiführen.
    • Reaktionen von Feststoffen, die zu keiner Volumenänderung führen.
    • Lösevorgänge. So ist die Volumenänderung beim Lösen eines Salzes so gering, dass sie vernachlässigt werden kann.
       
  • Bei Reaktionen unter isobaren Bedingungen, also bei konstantem Druck (p), muss die Volumenarbeit berücksichtigt werden, die ein entstehendes Gas verrichten kann.

    ΔrU = Qp - p ⋅ ΔV

Die Zustandgrößen U, p und V werden zu einer neuen Zustandsgröße zusammengefasst: der Enthalpie H.

Qp = H = U + p ⋅ V

In solchen Fällen sollte man bei der Reaktionsenergie nicht von Reaktionswärme sprechen, sondern eben von der Enthalpie.

Beispiele:

    • Alle Reaktionen in offenen Systemen (z.B. offenes Reagenzglas). Die Druckänderung in unserer Atmosphäre durch das Entstehen eines Gases bei einer Reaktion in einem Reagenzglas kann vernachlässigt werden ;)
    • Reaktionen in geschlossenen Systemen, bei denen der Druck konstant gehalten wird (siehe auch nächste Seite).

 

 

1. Hauptsatz der Thermodynamik

am .

Der sogenannte 1. Hauptsatz der Thermodynamik kann unterschiedlich formuliert werden, wobei sich im Folgenden eine Aussage aus der anderen ergibt:

  • Energie kann von einer Energieart in andere umgewandelt werden. Sie kann aber weder erzeugt noch vernichtet werden.

  • Ein Perpetuum mobile erster Art ist unmöglich. 

(Perpetuum mobile: lat.= dauernd beweglich, d.h., die Maschine kommt von selbst niemals zum Stillstand, da sie ohne Zufuhr von Energie in jeglicher Form oder Arbeit oder energiereicher Materie funktioniert)

  • Die Innere Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.

  • Die Änderung der Inneren Energie ist gleich der Summe aus zugeführter Arbeit und zugeführter Wärme.

    ΔU = W + Q

    wobei die Abeit W sich aus dem Druck und der Volumenänderung zusammensetzt:

    W = -p ⋅ ΔV

Dies erinnert an das Gesetz von der Erhaltung der MasseLex. Was für die Masse gilt, gilt also auch für die Energie.

Wenn umgangssprachlich von Energieverlust gesprochen wird, so meint man eigentlich den Teil der Energie, der nicht in die gewünschte Energieart umgewandelt worden ist.

zurück

 Roter-Faden-B

 

Enthalpie ...

 

weiter

 

 

Who's Online

Aktuell sind 454 Gäste und keine Mitglieder online

Homepage-Sicherheit 

Twitter