Die Thermodynamik ist zu einem festen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Ob Sie im Auto sitzen, gemütlich in einem klimatisierten Raum sitzen oder ein kaltes Getränk aus dem Kühlschrank schlürfen, die Thermodynamik wird praktisch überall direkt oder indirekt genutzt.

Als „Sadi Carnot“, der Vater der Thermodynamik, thermodynamische Theoreme und Zyklen einführte, konnten nur wenige vorhersehen, dass seine Ideen eines Tages eine so zentrale Rolle bei der Erfindung des Fahrzeugs spielen würden, das zu einem wesentlichen Teil unseres Lebens geworden ist. Die thermodynamischen Zyklen wurden von Sterling Diesel, Otto und Ericson weiterentwickelt, was zu weiteren Erfindungen und Verbesserungen bei Automobilen führte. Bevor wir uns zuerst den thermodynamischen Prozessen zuwenden, sehen wir uns einige Konzepte im Zusammenhang mit der Thermodynamik an.

Thermodynamik

Der Wissenschaftszweig, der sich mit der Übertragung von Energie von einer Form in eine andere sowie mit dem Zusammenhang zwischen Wärme und Temperatur, Energie und geleisteter Arbeit befasst, wird als Thermodynamik bezeichnet. 

Mit anderen Worten, die Thermodynamik ist der Wissenschaftszweig, der sich mit der Untersuchung der kombinierten Auswirkungen von Wärme und der Arbeit an Änderungen des Aggregatzustands befasst, die von thermodynamischen Prinzipien bestimmt werden.

Die Gesetze der Thermodynamik werden genutzt, um mit chemischen Reaktionen verbundene Wärmeenergie in verschiedene nutzbare Formen zu überführen. Die Energiewende basiert auf der Tatsache, dass Energie nur von einer Form in eine andere umgewandelt und in vielen Industrien genutzt werden kann. Wie wir alle wissen, sind chemische Reaktionen mit Energie verbunden. Die Gesetze der Thermodynamik befassen sich mit Energieänderungen, die während einer Reaktion auftreten, nicht mit der Geschwindigkeit, mit der die Reaktion abläuft.

Bedeutung der Thermodynamik

• Es hilft bei der Bestimmung, ob eine chemische Reaktion unter bestimmten Bedingungen stattfinden kann oder nicht.
• Es hilft bei der Vorhersage der Schwere einer Reaktion.

Thermodynamisches System und Umgebung

Ein System wird in der Thermodynamik als die Region des Universums definiert, die untersucht wird und in der Beobachtungen gemacht werden. Die Umwelt und das Universum interagieren miteinander, und je nach Art des Systems werden Materie und Energien ausgetauscht. Die Klassifizierung eines Systems hängt vollständig vom Energie- und Stofffluss in und aus ihm ab. Es gibt zwei verschiedene Arten von Systemen:

1. Offenes System – Ein offenes System ist definiert als eines, in dem Energie und Materie ausgetauscht werden. Wenn Wasser auf einem Herd ohne Abdeckung gekocht wird, fungiert der Behälter als offenes System, da er Wärmeenergie von einer externen Quelle erhält und Wasserdampf abgegeben wird.
2. Geschlossenes System – Ein geschlossenes System ist eines, in dem nur Energie und nicht Materie mit der Umgebung ausgetauscht werden kann. Ein geschlossenes System kann alternativ so beschrieben werden, dass es eine konstante Menge an Materie hat, wobei die einzige Variable die Energie des Systems ist. Wenn wir beispielsweise eine Schutzflasche mit Wasser im Kühlschrank aufbewahren, führt der Energieverlust an die Umgebung dazu, dass die Temperatur des Wassers in der Flasche sinkt, obwohl die Wassermenge in der Flasche konstant bleibt.
3. Isoliertes System – Wenn ein System isoliert ist, kann keine Energie oder Materie zwischen ihm und der Umgebung ausgetauscht werden. Eine Thermoskanne ist ein Beispiel für ein isoliertes System.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der universelle Energieerhaltungssatz, der für alle Systeme gilt. „Die gesamte Wärmeenergieänderung in jedem System ist die Summe aus der inneren Energieänderung und der verrichteten Arbeit“, besagt dieses Gesetz. Wenn einem System eine bestimmte Wärmemenge dQ zugeführt wird, wird ein Teil davon verwendet, um die innere Energie dU zu erhöhen, und ein Teil wird verwendet, um externe Arbeit dW zu verrichten, was zu dQ = dU + dW führt.

Die spezifische Wärmekapazität von Gasen wird durch das Verfahren oder die Bedingungen bestimmt, unter denen die Wärmekapazität übertragen wird. Für Gas gibt es hauptsächlich zwei Arten von spezifischen Wärmekapazitäten. Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen und spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck sind die zwei Arten von spezifischer Wärmekapazität.

Mit dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik können wir eine Beziehung zwischen zwei primären spezifischen Temperaturen eines idealen Gases identifizieren. Cp-C = R, entsprechend der Beziehung. Die molaren spezifischen Temperaturen Cp und C werden unter konstanten Druck- bzw. konstanten Volumenbedingungen berechnet.

Cp > C zeigt an, dass die spezifische Wärmekapazität eines Gases bei konstantem Druck größer ist als seine spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen. Der Grund dafür liegt darin, dass, wenn Wärme einem Gas mit einem konstanten Volumen zugeführt wird, das Gas nicht gegen den äußeren Druck arbeitet und die gesamte Energie verwendet wird, um die Temperatur des Gases zu erhöhen. Wenn einem Gas bei konstantem Druck Wärme zugeführt wird, steigt das Volumen des Gases und die Wärmeenergie wird verwendet, um die Temperatur des Gases zu erhöhen sowie Arbeit gegen den äußeren Druck zu verrichten. Das thermische Äquivalent der Anstrengung, das Gas gegen den Außendruck zu expandieren, ist die Differenz zwischen den beiden spezifischen Wärmen.

Thermodynamische Prozesse

Lassen Sie uns die folgenden thermodynamischen Prozesse wie folgt eingehend diskutieren:

1. Quasistatische Prozesse

Die Abweichung eines Systems von seinem thermodynamischen Gleichgewicht bei einem quasistatischen Prozess ist infinitesimal klein. Gleichgewichtszustände sind alle Zustände, die ein System während einer quasistatischen Operation durchläuft.

Stellen Sie sich ein System vor, in dem Gas in einem Zylinder mit einem sich bewegenden Kolben eingeschlossen ist; Wird der Kolben unendlich langsam geschoben, bleibt das System die ganze Zeit in einem Ruhezustand, und der Vorgang kann als quasistatisch eingestuft werden.

Die verschwindende Langsamkeit des Prozesses ist eine Schlüsseleigenschaft quasistatischer Prozesse. Während eines quasistatischen Prozesses befindet sich das System immer infinitesimal nahe am thermodynamischen Gleichgewicht. Das Konzept eines quasistatischen Prozesses ist idealistisch, und seine Bedingungen können tatsächlich nie genau erfüllt werden. In der Praxis sind Prozesse, die ausreichend langsam sind und keine beschleunigte Kolbenbewegung, einen großen Temperaturgradienten oder andere derartige Faktoren erfordern, eine gute Annäherung an einen idealen quasistatischen Prozess. Sofern nicht anders angegeben, definieren die folgenden Prozesse ausschließlich quasistatische Prozesse.

2. Isothermischer Prozess

Die Temperatur des Systems bleibt während eines isothermen Prozesses konstant. 

Das Gesetz von Boyle besagt, dass sich der Druck einer gegebenen Gasmasse umgekehrt zu ihrem Volumen ändert, wenn PV = konstant ist. Bei einem isothermen Prozess gibt es keine Temperaturänderung, da die innere Energie für ein ideales Gas nur von der Temperatur abhängt, daher gibt es keine Änderung der inneren Energie. Als Ergebnis folgt aus dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik U=0 und Q=W. Infolgedessen entspricht die dem System zugeführte (oder entzogene) Wärme der während des isothermen Prozesses vom (oder am) System geleisteten Arbeit. Unten ist ein PV-Diagramm für den isothermen Prozess.

3. Adiabatischer Prozess

Ein adiabatischer Prozess ist ein Prozess, bei dem keine Wärme in ein System eintritt oder es verlässt. Für jeden adiabatischen Prozess: ΔQ=0.

Der Wärmefluss kann verhindert werden, indem das System mit einer dicken Schicht aus wärmeisolierendem Material wie Kork oder Asbest abgedeckt wird. Der Wärmefluss dauert eine gewisse Zeit, wenn also ein Prozess schnell abgeschlossen wird, ist er im Wesentlichen adiabat. Wenn wir das erste Gesetz auf einen adiabatischen Prozess anwenden, erhalten wir 

ΔU = U ₂ − U ₁ = − Δ W

Dies betrifft den adiabatischen Prozess. Die Änderung der inneren Energie eines Systems in einem adiabatischen Prozess ist proportional zu der vom System verrichteten Arbeit. Wenn am System gearbeitet wird, zieht es sich zusammen und ΔW wird negativ. und die innere Energie des Systems wächst um den gleichen Betrag wie die daran verrichtete Arbeit, und die Temperatur des Systems steigt.

Wenn das System die Aufgabe erfüllt, ist ΔW negativ. Die innere Energie von Systemen nimmt ab, was zu einem Temperaturabfall führt. Die Beziehung zwischen Druck und Volumen in einem adiabatischen Prozess mit idealem Gas ist gegeben durch:

PV = γ = Konstante  

wobei γ = Cp/Cv. Ändert ein ideales Gas seinen Zustand adiabatisch von (P ₁ , V ₁ ) nach (P ₂ , V ₂ ): 

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂

PV-Diagramm für die Adiabate ist,

4. Isochorischer Prozess

Das Volumen des Systems bleibt während einer isochoren Phase ungeladen, dh ΔV = 0.

Wenn sich das Volumen nicht ändert, wird keine Arbeit verrichtet, ΔW = 0, und somit wird der erste Hauptsatz der Thermodynamik verletzt. 

U _{2 – U 1} = ΔU = ΔQ

Die gesamte an das System gelieferte Wärme wurde verwendet, um die interne Energie des Systems zu steigern. Die Verknüpfungsgleichung von P, V und T bei einem isochoren Prozess ergibt , P/T = konstant, dh mit steigender Temperatur steigt der Druck. PV-Diagramm des isochoren Prozesses.

5. Isobarer Prozess

Isobarer Prozess bezieht sich auf einen Prozess, der bei konstantem Druck abläuft.

Aus dieser Gleichung können wir ersehen, dass die im isobaren Prozess verrichtete Arbeit W=P(V2-V1)= n R(T2-T1) ist, wobei der Druck auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Dabei wird die dem System zugeführte Wärmemenge zwischen steigender Temperatur und verrichteter Arbeit aufgeteilt, dh 

ΔQ = ΔU + ΔW

Die Gleichung, die P, V und T für einen isobaren Prozess verbindet, ist V/T = konstant, dh wenn die Temperatur steigt, steigt das Volumen. Das PV-Diagramm des isobaren Prozesses kann wie folgt gezeichnet werden:

Zyklischer Prozess

Das System kehrt in einem zyklischen Prozess in seinen Ausgangszustand zurück. Seit das System in seinen Ausgangszustand zurückgekehrt ist, hat sich die innere Energie ΔU=0 nicht geändert. Hier in diesem Prozess ist die gesamte absorbierte Wärme gleich der gesamten vom System geleisteten Arbeit, dh

ΔQ = ΔW

Das PV-Diagramm des zyklischen Prozesses kann wie folgt gezeichnet werden:

Beispielprobleme

Aufgabe 1: Berechnen Sie die Wärmemenge in Kilojoule, die erforderlich ist, um die Temperatur von 60 g Aluminium von 35 auf 55 Grad Celsius zu erhöhen. Aluminium hat eine molare Wärmekapazität von 24 J mol ^-1 K ^-1 . 

Lösung:

Molzahl von Al (m) = (60 g)/(27 g mol ^–1 ) = 2,22 mol

Molare Wärmekapazität (C) = 24 J mol ^-1 K ^-1 .

Temperaturanstieg (∆T) = 55 – 35 = 20 °C = 20 K

Wärmeentwicklung (q) = C xmx T = (24 J mol ^-1 K ^-1 ) x (2,22 mol) x (20 K)

= 1065,6 J 

Aufgabe 2: Für ein isoliertes System ist ∆U = 0; was wird ∆S sein? 

Lösung:

Ein isoliertes System hat keine Änderung der inneren Energie (∆U), da es keine Energie mit seiner Umgebung austauscht. Bei einer spontanen Reaktion hingegen wächst die Entropie tendenziell. Als Ergebnis ist ∆S > 0 oder positiv.

Aufgabe 3: Schreiben Sie die Grenzen der Thermodynamik.

Antworten

Einschränkungen der Thermodynamik sind;

• Es hilft bei der Vorhersage der Durchführbarkeit eines Prozesses, liefert jedoch keine Informationen über die Reaktionsgeschwindigkeit.
• Es diskutiert lediglich die Anfangs- und Endzustände eines Systems, geht aber nicht ins Detail auf den Mechanismus des Prozesses.

Aufgabe 4: Definieren Sie das erste Bewegungsgesetz?

Lösung:

Wärme ist nach dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik eine Art Energie, und thermodynamische Prozesse unterliegen daher dem Konzept der Energieerhaltung. Wärmeenergie kann auf diese Weise weder erzeugt noch vernichtet werden. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen bewegt und in verschiedene Energiearten umgewandelt werden. 

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik hat die folgende Gleichung:

ΔU = q + W

wo,

• ΔU ist die Änderung der inneren Energie des Systems.
• q bezeichnet die algebraische Summe der Wärmeübertragung zwischen dem System und der Umgebung.
• W steht für die Arbeitsbeziehung des Systems zu seiner Umgebung.

Aufgabe 5: In einem System bleibt der Druck eines Gases konstant. Insgesamt gehen 45 J Wärme an die Umgebung um das System herum verloren. Das System erhält 450 J Arbeit. Wie groß ist die innere Energie des Systems?

Lösung:

Wir kennen diese Gleichung des ersten Bewegungsgesetzes;

ΔU = q+w

ΔU = 45 J + 450 J

ΔU = 495 J