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Über dieses Buch

Sie sind eingeladen, die faszinierende Welt der Thermodynamik (Wärmelehre) kennen zu lernen. Sie erfahren, dass energetische Betrachtungen in der Lage sind, die Eigenschaften von physikalischen und chemischen Vorgängen zu verstehen und vorherzusagen, z. B. deren Richtung und Gleichgewichtseinstellung. Dieses Buch ist in zwei Teile unterteilt: die „Chemische Thermodynamik“ beschäftigt sich mit makroskopischen, phänomenologischen und damit messbaren Größen, bei der „Statistischen Thermodynamik“ hingegen werden die thermodynamischen Eigenschaften auf die Eigenschaften von Atomen und Molekülen zurückgeführt, deren Grundlage die Quantenchemie ist. Das abschließende Kapitel befasst sich mit der kinetischen Theorie von Gasen und der Maxwell-Boltzmann’schen Energie- und Geschwindigkeitsverteilung. Alle Kapitel enthalten Anwendungen, sowie zahlreiche Beispiele und Aufgaben mit Lösungen. Im Anhang sind mathematische Hinweise zum Verständnis des Buchs und eine Liste der verwendeten physikalischen Größen, Konstanten und Abkürzungen zu finden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
In der Einleitung wird dargelegt, wo die chemische Thermodynamik und die statistische Thermodynamik im Wissenschaftsgebiet Chemie und im Fachgebiet physikalische Chemie eingeordnet sind, womit sie sich befassen und weshalb sie für den Chemiker und Physiker bedeutsam sind. Die Thermodynamik wird in die chemische Thermodynamik und die statistische Thermodynamik unterteilt. Die Voraussetzungen für ein erfolgreiches Studium dieses Fachgebiets werden dargestellt. Die Phänomene werden anschaulich und verständlich dargestellt, ohne auf wissenschaftliche Exaktheit zu verzichten.
M. Dieter Lechner

Chemische Thermodynamik

Frontmatter

Kapitel 2. Der 0. und der I. Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Abschn. 2 bis 4 enthalten die chemische Thermodynamik. Der Abschn. 2 befasst sich mit der Herleitung und den Aussagen des 0. und des I. Hauptsatzes der Thermodynamik. Darauf aufbauend werden innere Energie, Enthalpie und Wärmemengen bei konstantem Volumen und konstantem Druck abgeleitet, sowie deren Temperaturabhängigkeiten bei chemischen Reaktionen betrachtet. Der Abschnitt wird mit umfangreichen Anwendungen und Beispielen des I. Hauptsatzes abgeschlossen, z. B. isotherme und adiabatische Zustandsänderungen, Ausdehnungskoeffizient, Kompressibilität, Druckkoeffizient und eine Beziehung zwischen den Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und konstantem Volumen.
M. Dieter Lechner

Kapitel 3. Der II. und III. Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Der Abschnitt behandelt isotherme reversible Prozesse (Ausdehnung eines Gases, elektrochemische Prozesse und chemische Reaktionen mit Ableitung des Massenwirkungs-gesetzes), nicht-isotherme reversible Prozesse (Carnot’scher Kreisprozess, Gibbs-Helmholtz’sche Gleichungen, die Entropie und deren Berechnung für eine Temperatur und chemische Reaktionen), irreversible Prozesse (Ausdehnung eines idealen Gases ins Vakuum, Vermischung von zwei idealen Gasen und Wärmeleitung) und die Grundgleichungen der Thermodynamik. Eine Reihe von Beispielen vertiefen die Kapitel. Im Anschluss daran werden Gleichgewichtskonstanten chemischer Reaktionen und physikalischer Übergänge aus thermodynamischen Daten und Phasengleichgewichte behandelt.
M. Dieter Lechner

Kapitel 4. Thermodynamik der Mischphasen

Zusammenfassung
In diesem Abschnitt werden zunächst die Definitionen bei den Mischphasen, die Gibbs-Helmholtz’schen Gleichungen für Mischungen, das partielle molare Volumen, die kalorischen Größen und die Mischungsentropie behandelt. Es geht weiter mit der Gibbs-Duhem’schen Gleichung, dem chemischen Potenzial (Konzentrations- und Druckabhängigkeit sowie Phasenübergänge), und den kolligativen Eigenschaften (Dampfdruckerniedrigung, Siedepunkts-erhöhung, Gefrierpunktserniedrigung und osmotischer Druck).
M. Dieter Lechner

Statistische Thermodynamik

Frontmatter

Kapitel 5. Energieverteilung und Entropie in der statistischen Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Abschn. 5 bis 8 befassen sich mit der statistischen Thermodynamik. Der Abschn. 5 befasst sich ausführlich mit der Boltzmann-Statistik, insbesondere mit der Boltzmann-Verteilung, dem Verhältnis der Besetzungszahlen eines Systems und dem Boltzmann-Faktor. Abschließend erfolgt die statistisch-thermodynamische Behandlung der Entropie.
M. Dieter Lechner

Kapitel 6. Zustandssumme und thermodynamische Größen

Zusammenfassung
Ausgehend von der Boltzmann Statistik werden die Zustandssummen und thermodynamischen Größen von innerer Energie, Enthalpie, Wärmekapazität bei konstantem Druck und konstantem Volumen, Entropie, freie Energie, freie Enthalpie sowie die Zustandsgleichung abgeleitet und begründet.
M. Dieter Lechner

Kapitel 7. Thermodynamische Eigenschaften

Zusammenfassung
Ausgehend von der Boltzmann-Statistik und der Zustandssumme werden alle thermodyna-mischen Größen für Translations- (innere Translationsenergie, Wärmekapazität und Translationsentropie mit der Sackur-Tetrode-Gleichung), Rotations- (innere Rotationsenergie, Wärmekapazität und Rotationsentropie), Schwingungs- (Einstein-Theorie, Molwärme von Gasen und Festkörpern, Dulong-Petit’sches Gesetz und Debye-Theorie) und Elektronenanregungs-freiheitsgrade berechnet. Weiter wird für Gase das ideale Gasgesetz, die freie Enthalpie und die freie Energie auf statistisch thermodynamischer Grundlage behandelt und ein gemeinsamer Energienullpunkt bei Molekülen eingeführt. Schließlich wird das chemische Gleichgewicht auf statistischer Grundlage behandelt. Aufgaben und Beispiele runden diesen Abschnitt ab.
M. Dieter Lechner

Kapitel 8. Kinetische Theorie von Gasen

Zusammenfassung
Ausgehend vom Modell des idealen Gases wird die Maxwell-Boltzmann’sche Energie- und Geschwindigkeitsverteilung ausführlich abgeleitet und dargestellt.
M. Dieter Lechner

Anhang

Frontmatter

Kapitel 9. Mathematische Hilfsmittel, Physikalische Größen, Einheiten und Konstanten

Zusammenfassung
Programme zum Lösen von DGL: MathCad, Mathematica, Maple V, Derive; www.​integralrechner.​de. Im Anhang werden die für die Thermodynamik benötigten mathematischen Grundlagen, insbesondere aus der Differenzial- und Integralrechnung, sowie Ausgleichsrechnung, dargestellt. Außerdem werden die für dieses Buch verwendeten physikalischen Größen und physikalischen Konstanten, sowie Umrechnungsfaktoren für physikalische Einheiten und Abkürzungen aufgelistet.
M. Dieter Lechner

Backmatter

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