Vorlesung zur Physikalischen Chemie Teil 1:Thermodynamik und Kinetik Thermodynamik Inhalt PC1 SoSe 2016 - Thermodynamik 1. Intro 2. Intro 3. Arbeit, Wärme, ideales Gas 4. Ideales Gas Gesetz, Zust.fktn, HS1, Innere Energie 5. Wärmekapazität, Enthalpie 6. Volumenarbeit, Poisson, Carnot 7. Entropie, HS2 8. Atome, Kinetische Gastheorie, MB-Verteilung 9. Statistik, Entropie HS3 10. Reale Gase, Phasendiagramme 11. Freie Energie, Freie Enthalpie 12. Charakteristische Funktionen/Fundamentalgleichungen 13. Chemisches Potential 14. Clausius Clapeyron 15. Kollegiative Eigenschaften Chemisches Gleichgewicht

1.1.1-1.1.9 1.1.10-1.1.12 1.13-1.16 1.17-1.18 1.1.19, 1.1.20 1.2, 4.3.1 1.3, 2.4 2.1 2.3.1 2.3.2 – 2.3.3 2.3.4 – 2.3.5 2.5.1 – 2.5.3 2.5.4 (Auswahl), 2.5.5 2.6 (Auswahl)

2. Vorlesung Lese-Vorbereitung für Montag G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Kapitel 1.1.1. bis 1.1.9. 3. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Thermodynamisch werden Systeme definiert durch ihre Unterschiede in: 1. ihrer Größe 2. durch ihre Möglichkeiten zum Energie- und Materieaustausch 3. durch die Anzahl ihrer Phasen Eingangstest Frage 2 (mehrere Möglichkeiten): Die Wärmekapazität: 1. beschreibt die Fähigkeit eines Systems Wärmeenergie aufzunehmen 2. der Proportionalitätsfaktor zwischen zu- oder abgeführter Wärmemenge und auftretender Temperaturdifferenz 3. ist temperaturabhängig

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Eingangstest Frage 3: Thermodynamische Größen werden intensiv genannt, wenn: 1. sie besonders gut schmecken 2. es sich um molare Größen handelt 3. sie von der Masse des Systems unabhängig sind Konzeptfrage 1: Systeme Der Thermodynamiker muß festlegen, wo die Grenze zwischen dem System und der Umgebung verläuft. Betrachten Sie ein Becherglas mit Wasser in einem luftdichten Raum und entscheiden Sie ob das System offen oder geschlossen ist, wenn (a) die Grenze direkt an der Wasseroberfläche verläuft. (b) die Grenze in den Raumwänden verläuft. 1. 2. 3. 4. 5.

Das System ist in jedem Fall geschlossen Das System ist im Fall a offen und im Fall b geschlossen Das System ist im Fall a geschlossen und im Fall b offen Das System ist in jedem Fall offen Es fehlen Informationen

Konzeptfrage 2: Temperatur Wird durch Zufuhr von Energie in jedem Fall die Temperatur eines Systems erhöht? 1. Nein 2. Ja 3. Konzeptfrage 3: Wärme Warum steht in der Gleichung für die Wärmekapazität vor der Temperatur T ein D, bei der Wärme Q aber nicht? 1. das ist eigentlich egal 2. die Wärme ist konstant, nur die Temperatur ändert sich 3. Wärme ist keine Eigenschaft eines Systems 4. das System wird wärmer, aber die Temperatur ändert sich 5. verstehe ich auch nicht Konzeptfrage 4: Wärmekapazität Wie verhält sich die Wärmekapazität an einer Phasenumwandlung wie zum Beispiel beimWasserkochen? 1. sie bleibt konstant 2. sie wird größer 3. das hängt vom System ab, das kann man so generell nicht sagen 4. sie ist nicht definiert

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Konzeptfrage 5: Zustandsfunktionen Wie viele Zustandsgrößen werden zur Angabe der Veränderung des Zustands eines Reinstoffes in einem geschlossenen System benötigt? A Eine B Zwei C Drei D Vier E hängt vom System ab Konzeptfrage 6: Ideale Gasgleichung Können ideale Gase regnen? A Ja B Nein C Da fehlen mir Informationen Konzeptfrage 8: Ideale Gasgleichung Kann ein Gas adiabatisch erwärmt werden? A Ja B Nein C Die Frage macht keinen Sinn Konzeptfrage 9: Ideale Gasgleichung Das Wohnzimmer eines Hauses wird im Winter geheizt, das Schlafzimmer dagegen nicht. In welchem Zimmer würden Sie die gesündere Luft, das heißt, den höheren Sauerstoffgehalt erwarten? A Im Wohnzimmer B Im Schlafzimmer C Der Sauerstoffgehalt in beiden Zimmern ist identisch, da ein Druckausgleich stattfinden kann (die Türen sind nicht dicht). Lese-Vorbereitung für Mittwoch G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Kapitel 1.1.10. bis 1.1.12. 4. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Die mit der Umgebung ausgetauschte Wärmemenge bei konstantem Druck ist: 1. Die Änderung der Inneren Energie 2. Die Änderung der Enthalpie 3. –pdV

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Eingangstest Frage 2: Welche Größen dürfen als totales Differential geschrieben werden? 1. Zustandsgrößen 2. Prozeßgrößen 3. Ergänzungsgrößen Eingangstest Frage 3: Welche Art von Funktion stellet die Isochoren des idealen Gases dar? 1. Eine hyperbolische Funktion 2. Eine quadratische Funktion 3. Eine lineare Funktion Konzeptfrage 1: Totales Differential Wann muß anstelle des Differentialzeichens d der Operator  vor einer Größe verwendet werden? 1. Wenn es sich um die Änderung einer Zustandsgröße handelt 2. Wenn es sich um eine thermodynamische Größe handelt 3. Wenn die Änderung der Größen sehr klein wird 4. Wenn die Änderung der Größe gegen Null geht 5. Wenn bei einer Differentation eine Größe von mehreren Variablen abhängt Konzeptfrage 2: Der erste Hauptsatz Ist der erste Hauptsatz eine Zustandsgleichung? 1. Ja 2. Nein Konzeptfrage 3: Innere Energie (1) Gibt es für die Innere Energie eine zur idealen Gasgleichung analoge Beziehung? 1. Ja 2. Ja bestimmt, aber ich weiß sie jetzt gerade nicht 3. Nein 4. Ich verstehe die Frage nicht Konzeptfrage 4: Innere Energie (2) Betrachten Sie die Innere Energie eines idealen Gases und von Argon als fast idealem Gas? Entspricht die kinetische Energie der Gasmoleküle der inneren Energie der Gase? 1. Ja, in jedem Fall 2. Nein, in keinem Fall 3. Das trifft nur für das ideale Gas zu, nicht für Argon 4. Das trifft nur für Argon zu und nicht für das ideale Gas Konzeptfrage 5: Innere Energie (3) Besitzt das in einer Kühlbox auf eine Wanderung mitgenommene Getränk in Oberstdorf noch dieselbe Innere Energie wie in dem wesentlich niedriger gelegenen Ulm? 1. Ja 2. Nein 3. Es fehlen Informationen 4

Konzeptfrage 6: Innere Energie (4) Hat ein Mol Luft in Ulm und auf der Zugspitze den gleichen Betrag an Innerer Energie? 1. Ja 2. Nein 3. Ich verstehe die Frage nicht Lese-Vorbereitung für Montag G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Kapitel 1.1.13. bis 1.1.16. 5. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Welcher partielle Differentialquotient entspricht der Reaktionsenthalpie: 𝜕𝐻

1. ( 𝜕𝜉 ) 𝑇,𝑝 𝜕𝐻

2. ( 𝜕𝑇 )𝜉,𝑝 𝜕𝑈 𝜕𝜉

3. ( ) 𝑇,𝑣 Eingangstest Frage 2: Nach den Heßschen Satz lassen sich Reaktionsenthalpien über Bildungsenthalpien berechnen durch… 1. Division 2. Multiplikation 3. Addition Eingangstest Frage 3: Nach dem Kirchhoffschen Satz werden Enthalpieänderungen bei Temperaturänderung berechnet über die entsprechenden Änderungen der 1. Inneren Energie 2. Entropie 3. Wärmekapazität im betrachteten Temperaturintervall? Konzeptfrage 1: Enthalpie (1) Erfordert die isochore oder die isobare Erwärmung eines Gases mehr Wärme? 1. Die notwendigen Wärmemengen sind identisch 2. Die isochore erfordert mehr 3. Die isobare erfordert mehr Konzeptfrage 2: Enthalpie (2) Ändert sich die Enthalpie eines Systems bei isochorer Erwärmung? 1. Ja 2. Nein 3. Weiß ich nicht 5

Konzeptfrage 3: Wärmekapazität Was bedeutet die Formulierung „ein Stoff besitzt eine hohe Wärmekapazität“? 1. Der Stoff läßt sich schwer erwärmen 2. Bei Zufuhr einer bestimmten Wärmemenge ändert sich die Temperatur des Stoffes stark 3. Der Stoff kann viel Wärme aufnehmen, ohne daß die Temperatur stark ansteigt 4. Der Stoff kann viel Energie speichern Konzeptfrage 4: Reaktionsenthalpien Wie verhält sich die Reaktionsenthalpie zum Spalten der ersten C-H-Bindung in Methan zur durchschnittlichen C-H-Bindungsenergie in diesem Molekül? 1. Die beiden Enthalpien sind gleich 2. Die beiden Enthalpien müssen unterschiedlich sein 3. Ohne weitere Informationen kann das nicht entschieden werden Konzeptfrage 5: Kirchhoffscher Satz Für welchen Aggregatzustand würden Sie generell die größere Wärmekapazität erwarten? 1. Für ein Gas 2. Für eine Flüssigkeit 3. Das hängt vom genauen Stoff ab 4. Ich müßte raten Konzeptfrage 6: Kirchhoffscher Satz Für welchen Aggregatzustand würden Sie die generell die größere Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität erwarten? 1. Für ein Gas 2. Für eine Flüssigkeit 3. Das hängt vom genauen Stoff ab 4. Ich müßte raten Lese-Vorbereitung für Mittwoch G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Kapitel 1.1.17 (Volumenarbeit) und Kapitel 1.1.18 (Carnot). 6. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Wie ist der Wirkungsgrad der Carnot-Maschine definiert? 1.  = 1 – THQ/TKS 2.  = 1 – TKS/THQ 3.  = THQ/TKS – 1 4.  = TKS/THQ – 1

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Eingangstest Frage 2: Bei welcher Prozeßführung ist die vom idealen Gas verrichtete Volumenarbeit größer? 1. Bei adiabatischer Prozeßführung 2. Bei isothermer Prozeßführung 3. Bei isochorer Prozeßführung 4. Das ist egal, solange die Prozeßführung reversibel ist Eingangstest Frage 3: Die Poissonsche Gleichung beschreibt: 1. die adiabatische Zustandsänderung des idealen Gases 2. die isotherme Zustandsänderung des idealen Gases 3. die isochore Zustandsänderung des idealen Gases 4. die isobare Zustandsänderung des idealen Gases Konzeptfrage 1: Reversible isotherme Expansion Was können Sie aus dem Weg(Graph) einer Zustandsänderung im pV-Diagramm entnehmen? 1. Wie schnell die Zustandsänderung erfolgt. 2. Ob die Temperatur bei der Änderung konstant ist. 3. Ob sich das System immer im Gleichgewicht befindet. 4. Wieviel Wärme bei der Zustandsänderung in Arbeit umgewandelt wird. Konzeptfrage 2: Irreversible isotherme Expansion Wie groß ist die Arbeit, die bei einer freien Expansion (gegen Vakuum) geleistet wird? 1. -pdV 2. -pV 3. Null 4. Undefiniert 5. Da müßte ich raten Konzeptfrage 3: Irreversible isotherme Expansion Muß bei der irreversiblen Volumenarbeit die Temperatur berücksichtigt werden? 1. Ja 2. Ja bestimmt, aber ich weiß nicht wie 3. Nein 4. Da müßte ich raten Konzeptfrage 4: Irreversible Expansion Gibt es etwas zwischen der reversiblen und der maximal irreversiblen Prozeßführung? 1. Nein 2. Ja, dann kann aber die Arbeit nicht berechnet werden 3. Ja, dann ist der Arbeitsbetrag auch entsprechend kleiner als bei reversiblen Prozeßführung. 4. Ich verstehe die Frage nicht

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Konzeptfrage 5: Der Weg zurück Kann eine irreversible Zustandsänderung (Expansion) überhaupt rückgängig gemacht werden? 1. Nein, irreversibel und rückgängig widersprechen sich. 2. Das hängt vom System ab. 3. Ja, sonst würde ja der erste Hauptsatz verletzt. 4. Ja, die Zustandsänderung ist ja wegunabhängig. Konzeptfrage 6: Adiabatische reversible Expansion Wie verhalten sich die bei einer Expansion verrichteten Arbeiten im adiabatischen und isothermen Fall zueinander? 1. Sie sind identisch 2. Die adiabatische ist größer 3. Die isotherme ist größer 4. Das sind völlig verschiedene Prozesse, die sich nicht vergleichen lassen 5. Da müßte ich raten Konzeptfrage 7: Poisson-Gleichung der adiabatischen Zustandsänderung Wie verhalten sich die Steigungen der Adiabaten und Isothermen bei gleicher Temperatur zueinander? 1. Sie sind identisch 2. Die Steigung der Adiabaten ist größer 3. Die Steigung der Isothermen ist größer 4. Das sind völlig verschiedene Prozesse, die sich nicht vergleichen lassen. 5. Da müßte ich raten Lese-Vorbereitung G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Für Montag: Kapitel 1.1.19 (2. HS) Kapitel 1.1.20 (Entropie). Für Mittwoch: Kapitel 1.2 (Kinetische Gastheorie) Kapitel 4.3.1 (Maxwellsche Verteilung) 7. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Wie ist die Entropie nach Clausius definiert? 1. S = Q/T 2. dS = dQ/T 3. dS = Qrev/T 4. dS = dQrev/T

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Eingangstest Frage 2: Die Entropie ist: 1. Eine Zustandsgröße 2. Eine Weggröße 3. Eine Prozeßgröße 4. Eine reversible Größe Eingangstest Frage 3: Der zweite Hauptsatz sagt etwas aus über: 1. die Möglichkeit eines Prozesses 2. die Freiwilligkeit eines Prozesses 3. die Geschwindigkeit eines Prozesses 4. die Adiabatizität eines Prozesses Eingangstest Frage 4: Wie groß ist die Entropie bei reversiblen isothermen Expansion von V1 auf V2? 1. nRT ln(V2/V1) 2. nR ln(V2/V1) 3. nR cv (T1 - T2) 4. Läßt sich nicht berechnen Konzeptfrage 1: Entropie 1 Ist die Entropie: 1. Eine extensive Zustandsgröße 2. Eine intensive Zustandsgröße 3. Eine Prozeßgröße Konzeptfrage 2: Entropie 2 In welchem Fall läßt sich die Änderung der Entropie aus der übertragenen Wärmemenge berechnen? 1. Immer 2. Nur bei der adiabatischen Zustandsänderung 3. Nur bei der isothermen Zustandsänderung 4. Nur bei der irreversiblen Zustandsänderung 5. Nur bei der reversiblen Zustandsänderung 6. Nie Konzeptfrage 3: Irreversible isotherme Expansion Die Arbeit, die bei einer freien, irreversiblen Expansion (gegen Vakuum) geleistet wird ist Null. Wie groß ist die Änderung der Entropie? 1. Q/T 2. Qrev/T 3. Null 4. Undefiniert 5. Es fehlen Informationen

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Konzeptfrage 4: Definition von System und Umgebung Die Abbildung 1.1.13 (rechts) wird im Wedler zur Erläuterung der Entropieänderung im abgeschlossenen System verwendet. Wie sind System und Umgebung definiert? A System: Gas Umgebung: Thermostat und Arbeitsspeicher B System: Gas und Thermostat Umgebung: Arbeitsspeicher C System: Gas, Thermostat und Arbeitsspeicher Umgebung: tja…. Konzeptfrage 5: Entropie 3 Wir betrachten ein ideales Gas und einen reversiblen isothermen Prozeß. Welche Aussage trifft zu: 1. Innere Energie und Entropie ändern sich 2. Die Innere Energie ändert sich, die Entropie bleibt konstant 3. Die Innere Energie bleibt konstant, die Entropie ändert sich 4. Innere Energie und Entropie bleiben konstant Konzeptfrage 6: Entropie 4 Wir betrachten ein ideales Gas und einen reversiblen adiabatischen Prozeß. Welche Aussage trifft zu: 1. Innere Energie und Entropie ändern sich 2. Die Innere Energie ändert sich, die Entropie bleibt konstant 3. Die Innere Energie bleibt konstant, die Entropie ändert sich 4. Innere Energie und Entropie bleiben konstant Konzeptfrage 7: Entropie und 2. HS:

Auf was beziehen sich die in der obigen Definition des zweiten Hauptsatzes aus dem Wedler erwähnten Zustandsänderungen? A auf den Zustand des Systems B auf den Zustand eines Teils des Systems C es gibt keinen konkreten Bezug, das gilt allgemein D ist mir auch völlig schleierhaft

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Konzeptfrage 8: Entropie 5 Wir haben gelernt: dS = Qrev/T, aber auch: dS  Q/T. Was sagen Sie dazu? 1. Das ist wie alles in der Thermodynamik völlig kryptisch 2. Das erscheint mir doch als Widerspruch 3. Offensichtlich ist die Entropieänderung größer, wenn der Prozeß nicht reversibel geführt und die Wärme Q ausgetauscht wird. 4. Offensichtlich scheint die reversibel ausgetauschte Wärme größer zu sein als die bei jedweder anderen Prozeßführung ausgetauschte Wärmemenge. Konzeptfrage 9: Entropie 6 Dann haben wir aber auch: DSges  0. Was sagen Sie dazu? 1. Die Verwirrung ist komplett! 2. Das gilt allgemein, wenn ich dS für eine konkrete Änderung von Zustand 1 zu Zustand 2 integriere. 3. Das gilt für ein abgeschlossenes System, wenn ich dS für eine konkrete Änderung von Zustand 1 zu Zustand 2 integriere. 4. Das gilt, wenn ich dS für alle Zustandsänderungen in einem abgeschlossenen System integriere und addiere. Lese-Vorbereitung G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Für Mittwoch: Kapitel 1.2 (Kinetische Gastheorie) Kapitel 4.3.1 (Maxwellsche Verteilung) 8. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Welche Beiträge zur Inneren Energie sind im kinetischen Modell des idealen Gases berücksichtigt? (Wenn Sie mehrere Antworten auswählen möchten, drücken Sie z. B. ABCD-Eingabe) A Translationsenergie der Teilchen B Rotationsenergie der Teilchen C Schwingungsenergie der Teilchen D Elektronische Energie der Teilchen Eingangstest Frage 2: Wie wechselwirken die Teilchen beim kinetischen Modell der Gase untereinander? 1. Elastische Kollisionen 2. Inelastische Kollisionen 3. Elastische und inelastische Kollisionen 4. Es gibt keine Wechselwirkung der Teilchen

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Eingangstest Frage 3: Was entspricht dem Maximum der Maxwell-Boltzmann-Verteilung? 1. Die Geschwindigkeit der Teilchen 2. Die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen 3. Die Wurzel des mittleren Geschwindigkeitsquadrats der Teilchen 4. Die wahrscheinlichste Geschwindigkeit der Teilchen 5. Die relative Geschwindigkeit der Teilchen Konzeptfrage 1: Temperatur und Energie: Wie hoch muß ich eigentlich heizen, damit ich eine C-C-Bindung mit einer Bindungsenergie von ca. 350 kJ/mol brechen kann? A das berechnet man einfach nach E = RT B das berechnet man einfach nach E = 3/2 RT C das kann man nicht so einfach berechnen, da E = 3/2 RT = 1/2 mv² nur eine mittlere kinetische Energie darstellt, die sich aus einer Verteilung von Molekülgeschwindigkeiten ergibt. Konzeptfrage 2: Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung Wie können wir dieses vektorielle Chaos aufräumen,ohne Informationen zu verlieren? A Alle Pfeile entlang einer Achse aufreihe, in der Folge ihrer Länge B Alle Pfeile parallel zueinander stapeln, nach ihrer Länge sortiert C Alle Startenden aller Pfeile in einen Punkt legen D Das geht gar nicht ohne einen schweizerischen Künstler

Concept question 3: Maxwell-Boltzmann distribution of speeds How does the following 1-D distribution function look like: Density of points (Vx) A Square function centered at 0 B Gaussian function centered at 0 C Exponential decay in +Vx and –Vx direction peaking at 0 D Bell shaped functions with minimum values at 0, +, and -. Concept question 4: Maxwell-Boltzmann distribution of speeds How does the following 2-D distribution function look like: Density of points (V) A Square function centered at 0 B Gaussian function centered at 0 C Exponential decay in +Vx and –Vxdirection peaking at 0 D Bell shaped functions with minimum values at 0, +, and -. Konzeptfrage 5: Bitte sortieren Sie in aufsteigender Ordnung der Betragswerte: A. Wurzel des gemittelten Geschwindigkeitsquadrates B. Am häufigsten auftretende Geschwindigkeit C. Mittlere Geschwindigkeit

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Konzeptfrage 6: Kinetische Gastheorie Was würden Sie für die Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Gasen und Flüssigkeiten erwarten? 1. mit zunehmender Temperatur nimmt die Viskosität von Gasen und Flüssigkeiten ab. 2. mit zunehmender Temperatur nimmt die Viskosität von Gasen zu und von Flüssigkeiten ab. 3. mit zunehmender Temperatur nimmt die Viskosität von Gasen ab und Flüssigkeiten zu. 4. mit zunehmender Temperatur nimmt die Viskosität von Gasen und Flüssigkeiten zu. Lese-Vorbereitung G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Für Montag: Kapitel 1.3 (Statistische Thermodynamik) Kapitel 2.4 (3. HS) Für Mittwoch: Kapitel 2.1 (Reale Gase) 9. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Was gibt das statistische Gewicht W an? 1. Die Anzahl der mikroskopischen Realisierungsmöglichkeiten eines Makrozustandes. 2. Die Verteilung der Makrozustände 3. Die Wahrscheinlichkeit mit der ein Makrozustand auftritt. 4. Die Gewinnchance beim Würfelspiel Eingangstest Frage 2: Was gibt der Boltzmannsche e-Satz an? 1. Die Verteilung der Atom- oder Molekülgeschwindigkeiten. 2. Die Verteilung von Mikrozuständen auf Moleküle. 3. Die wahrscheinlichste Verteilung von Energiewerten, die eine Anzahl von Teilchen annehmen kann. 4. Die Gewinnchance beim Würfelspiel. Eingangstest Frage 3: Wie hängen Entropie und statistisches Gewicht zusammen? 1. S = - k ln  2. S = k ln  3. dS = - k ln  4. dS = k ln  5. S = - k T ln  6. S = k T ln 

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Konzeptfrage 1: Stimmt die Plancksche Formulierung? 1. Ja, aber tatsächlich nur für den idealen Festkörper 2. Nein, das stimmt auch im idealen Fall nur näherungsweise 3. Keine Ahnung. Konzeptfrage 2: Verteilungsfunktion Betrachten Sie wieder das Beispiel des Würfelspiels. Was entspricht der Teilchenzahl, den Mikrozuständen, den Makrozuständen und der gewünschten Gesamtenergie?

Teilchenzahl 1. Würfelanzahl 2. Augenkombi. 3. Würfelanzahl

Mirkozust.

Makrozust.

Gesamtenergie

exakte Augenz Würfelanzahl exakte Augenz

Gesamtaugenz Gesamtaugenz. Augenkombi.

spielt hier keine Rolle exakte Augenz. Gesamtaugenz.

Konzeptfrage 3: Energieverteilung nach Boltzmann Mit dem Boltzmannschen e-Satz und der Zustandssumme können wir absolute Innere Energien berechnen. Wo ist der Haken? 1. Die Formel für die ei-Werte ist mir nicht bekannt. 2. Die Energie kommt ja gar nicht in ei-Teilen, das war doch nur eine Annahme von Boltzmann. 3. Die Zustandssumme für 1 mol Teilchen abzuzählen schafft kein Computer. 4. Es gibt kein Problem. Konzeptfrage 4: Statistische Definition der Entropie Die biologische Evolution erfordert die Organisation einer großen Zahl von Molekülen in lebenden Zellen. Widerspricht die Bildung von Organismen dem 2. HS der Thermodynamik, nachdem die Entropie zu und damit die Ordnung abnehmen muß? 1. Ja, aber das ist kein Problem, da der 2. HS ja nur für die Thermodynamik gilt. 2. Nein, alle Organismen sterben ja auch mal wieder, also entsteht nur kurzzeitig Ordnung. 3. Nein, da die Entropiezunahme, die der 2. HS fordert, für abgeschlossene Systeme gilt.

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Konzeptfrage 5: Statistische Definition der Entropie In welchem Kartenstapel hat das Mischen zu einer größeren Entropiezunahme geführt? 1. Im rechten Stapel. 2. Im linken Stapel. 3. In beiden wurde die Entropie gleichmäßig erhöht. 4. Die Entropie hat sich in beiden Stapeln nicht geändert. 5. Es fehlen Informationen. Lese-Vorbereitung G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Für Mittwoch: Kapitel 2.1 (Reale Gase) 10. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Was erwarten Sie im Fall eines idealen Gas für die Druckabhängigkeit von (pV) ? 1. Die ist linear mit negativer Steigung. 2. Das ist eine Kurve mit Minimum. 3. pV ist druckunabhängig. 4. Das hängt von der Temperatur ab. Eingangstest Frage 2: Wann entspricht die Kompressibilität des realen genau der des idealen Gases? 1. Im Minimum der pv(p)-Kurve. 2. Bei sehr kleinen Drücken. 3. Bei sehr großen Drücken. 4. Am Phasenübergang. Eingangstest Frage 3: Wie verhält sich der Binnendruck des realen Gases zum äußeren Druck? 1. Er vergrößert ihn. 2. Er verkleinert ihn. 3. Die beiden Drücke haben nichts miteinander zu tun. Konzeptfrage 1: Was bezeichnet das mit I markierte, schraffierte Gebiet? 1. Die Gasphase bei sehr niedrigen Drücken. 2. Die flüssige Phase. 3. Das Zweiphasengebiet flüssig-gasförmig. 4. Es fehlen Informationen. Konzeptfrage 2: Welche Phase liegt bei der mit II markierten Isothermen vor? 1. Die Gasphase. 2. Die flüssige Phase. 3. Das Zweiphasengebiet flüssig-gasförmig. 4. Es fehlen Informationen. 15

Konzeptfrage 3: Welche Aussage trifft nicht zu: Im Vergleich zu idealen Gasen haben reale Gase: 1. Attraktive Wechselwirkungen zwischen Teilchen. 2. Repulsive Wechselwirkungen zwischen Teilchen. 3. Eine höhere Wärmekapazität. 4. Eine niedrigere Wärmekapazität. 5. Die Möglichkeit zu Verflüssigen. Konzeptfrage 4: Welcher Effekt dominiert in der van der Waals Gleichung bei niedrigem Druck 1. Attraktive Wechselwirkungen zwischen Teilchen. 2. Repulsive Wechselwirkungen zwischen Teilchen. 3. Ideales Verhalten. Konzeptfrage 5: Wie groß schätzen Sie den Beitrag des Binnendruckes im Vergleich zum Standarddruck? 1. Sehr viel kleiner. 2. Im Promille-Bereich. 3. Im Prozent-Bereich. 4. In der gleichen Größenordnung. 5. Größer. 6. Viel größer. Konzeptfrage 6: Beschreibt die van der Waals Gleichung eine real mögliche Situation im Zweiphasengebiet? 1. Nein, die Beschreibung der Isothermen nach vdW im Zweiphasengebiet ist unphysikalisch. 2. Die Beschreibung der Isothermen nach vdW im Zweiphasengebiet ist nur für positive Steigungen unphysikalisch. 3. Die Beschreibung der Isothermen nach vdW im Zweiphasengebiet ist nur für negative Steigungen unphysikalisch. Konzeptfrage 7: Welche Phase liegt oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Druckes vor? 1. Gasphase. 2. Flüssigkeit. 3. Gas und Flüssigkeit koexistieren. 4. Gas und Flüssigkeit sind nicht unterscheidbar. Konzeptfrage 8: Wie trägt die van der Waals Gleichung dem kritischen Verhalten Rechnung? 1. Gar nicht. 2. Mit der vdW-Glg können kritische Größen nur näherungsweise wiedergegeben werden. 3. In der vdW-Glg hat die kritische Isotherme einen Sattelpunkt. 4. Da müßte ich raten. 16

Konzeptfrage 9: Sind überkritische Stoffe praktisch von Bedeutung? 1. Nein, das ist abgefahren und nur theoretisch wichtig. 2. Vielleicht, mir ist aber noch kein praktisches Beispiel für überkritische Stoffe begegnet. 3. Klar, ich weiß mindestens ein Beispiel für die Anwendung überkritischer Materialien. 4. Keine Ahnung. Konzeptfrage 10: Sie haben gelesen, daß sich reale Gase bei der adiabatischen Expansion in der Regel abkühlen. Reale Gas vollziehen reale, also irreversible Prozesse (reversibel – gibt‘s ja nicht wirklich). Nehmen Sie aber einmal theoretisch an, wir könnten auch ein reales Gas reversibel adiabatisch expandieren. Was würden Sie für die Temperaturabnahme erwarten? 1. Die wird im realen größer sein als im idealen Fall. 2. Die wird im realen Fall kleiner sein als im idealen. 3. Die wird gleich groß sein, ist ja in beiden Fällen reversibel. 4. Ich bestehe darauf weiterhin unentschlossen sein zu dürfen. Konzeptfrage 11: Ordnen Sie folgende Gase nach ansteigender Inversionstemperatur: 1. H2 – Ne – CO – H2O. 2. Ne – H2 – H2O – CO. 3. H2O – H2 – CO – Ne. 4. Ne – H2 – CO – H2O. 5. CO – Ne – H2O – H2. Lese-Hausaufgabe G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Kapitel 2.3.1 (Freie Energie, Freie Enthalpie) 11. Vorlesung Lesehausaufgabe Frage 1: Für welche Art von System ist die Freie Energie wichtig? 1. Ein offenes System. 2. Ein geschlossenes System. 3. Ein abgeschlossenes System. 4. Einen Thermostaten. Lesehausaufgabe Frage 2: Die Freie Enthalpie findet Verwendung unter folgenden Bedingungen: 1. Isotherm, isochor. 2. Isotherm, isobar. 3. Adiabatisch, isochor. 4. Adiabatisch, isobar. 17

Lesehausaufgabe Frage 3: Ein Prozeß im geschlossenen System ist dann unmöglich wenn (T, p = const.): 1. Die Änderung der Freien Enthalpie kleiner null ist. 2. Die Änderung der Freien Enthalpie null ist. 3. Die Änderung der Freien Enthalpie größer null ist. 4. Die Freie Enthalpie gilt nicht in geschlossenen Systemen. Konzeptfrage 1: Gibbs-Helmholtz. Betrachten Sie die Gibbs-Helmholtz-Gleichung. Was würden Sie als „Triebkraft“ eines Prozesses oder einer Reaktion vermuten? 1. Das Streben nach minimaler Energie/Enthalpie. 2. Das Streben nach maximaler Entropie. 3. Beides, sowohl Energieminimierung als auch Entropiemaximierung. 4. Da müßte ich raten. Konzeptfrage 2: Gibbs-Helmholtz. Warum heißt die Freie Enthalpie „frei“? 1. Weil das die Enthalpie ist, die bei einem Prozeß, wie einer chemischen Reaktion, frei wird. 2. Weil das der Anteil der Enthalpie ist, der zur Arbeitsverrichtung maximal frei zur Verfügung steht. 3. Weil das Prozesse oder Reaktionen frei ablaufen, wenn Freie Enthalpie vorhanden ist. 4. Das ist einfach nur eine Namens-Erfindung von Gibbs. Konzeptfrage 3: Gibbs-Helmholtz. Im Fall von reversibel geführten Prozessen entspricht die Freie Enthalpie also der maximal (im reversiblen Fall) zu Verfügung stehenden Arbeit. Um welche Art von Arbeit handelt es sich dabei? 1. Um jede mögliche Arbeit. 2. Um Volumenarbeit. 3. Um Nicht-Volumenarbeit. 4. Um elektrische Arbeit. 5. Um chemische Arbeit (chemische Reaktionen). Lese-Hausaufgabe G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Kapitel 2.3.2 – 2.3.3 (Charakteristische Funktionen/Fundamentalgleichungen)

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12. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Für welche Art von System gelten die charakteristischen Funktionen? 1. Offene Systeme. 2. Geschlossene Systeme. 3. Abgeschlossene Systeme. 4. Die charakteristischen Funktionen gelten universell. Eingangstest Frage 2: Welche der folgenden Aussagen ist richtig: 1. Das Guggenheim-Schema ergibt sich aus den charakteristischen Funktionen. 2. Das Guggenheim-Schema ist ein Merkschema für die charakteristischen Funktionen. 3. Das Guggenheim-Schema ist ein Merkschema für die Maxwellschen Beziehungen. 4. Das Guggenheim-Schema ist eine berühmte Gemäldesammlung 5. Eingangstest Frage 3: Die Maxwellschen Beziehungen ergeben sich aus: 1. Dem Guggenheim-Schema. 2. Dem Totalen Differential der charakteristischen Funktionen. 3. Den zweiten Ableitungen der partiellen Differentialquotienten von T, p, S und V. Konzeptfrage 1: Charakteristische Funktionen Um was unterscheidet sich die charakteristische Funktion der Inneren Energie von dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. 1. um jede mögliche Arbeit. 2. um Volumenarbeit. 3. um Nicht-Volumenarbeit. 4. um elektrische Arbeit. 5. um chemische Arbeit (chemische Reaktionen). Konzeptfrage 2: Charakteristische Funktionen Unter welchen Bedingungen stellt die Änderung der Freien Enthalpie wirklich eine reale Energie dar? 1. Immer 2. Im isobaren Fall 3. Im isothermen Fall 4. Im isobaren, isothermen Fall 5. Im reversiblen Fall Konzeptfrage 3: Maxwell-Beziehungen Was ist die entscheidende Voraussetzung zum Erhalt der Maxwell Beziehungen? 1. Daß es sich bei allen Größen um Zustandsgrößen handelt. 2. Daß reversible Prozesse behandelt werden 3. Daß isobare, isotherme Bedingungen herrschen 4. Es gibt keine Voraussetzungen

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Konzeptfrage 4: Die Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie Wodurch ist die Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie gegeben und welches Vorzeichen hat sie? 1. p 2. V 3. T 4. S 5. Positiv 6. Negativ Konzeptfrage 5: Die Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie Wodurch ist die Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie gegeben und welches Vorzeichen hat sie? 1. p 2. V 3. T 4. S 5. Positiv 6. Negativ Lese-Vorbereitung G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Für Mittwoch: Kapitel 2.3.4 – 2.3.5 (Chemisches Potential) 13. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Worin unterscheiden sich die Gibbsschen Fundamentalgleichungen charakteristischen Funktionen? 1. In der Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit. 2. In der Berücksichtigung realer Gase und Stoffe. 3. In der Berücksichtigung der realer, irreversibler Prozesse. 4. In der Berücksichtigung der Stoffmengenabhängigkeit. Eingangstest Frage 2: Das chemische Potential µ ist: 1. Eine extensive Zustandsgröße 2. Eine intensive Zustandsgröße 3. Keine Zustandsgröße, sondern eine Weggröße 4. Eingangstest Frage 3: Thermodynamische Prozesse laufen ab, 1. wenn das chemische Potential kleiner Null ist. 2. wenn das chemische Potential größer Null ist. 3. in Richtung eines Gefälles des chemischen Potentials. 4. von niedrigerem zu höherem chemischen Potential. 20

von

den

Konzeptfrage 1: Das chemische Potential Das chemische Potential ist die Änderung der Freien Enthalpie einer Komponente einer Phase, wenn sich die Stoffmenge um 1 mol ändert. Stimmt das? 1. Ja, immer. 2. Ja, aber nur wenn die Phase unendlich groß ist. 3. Ja, aber nur wenn die 1 mol Änderung aus einer sehr kleinen Stoffmengenänderung berechnet wird. 4. Nein, das ist wieder nur theoretisch möglich. 5. Nein, das stimmt gar nicht. Konzeptfrage 2: Chemisches Potential und Stofftransport An dieser Stelle steht im Wedler:„…ein Stoff geht spontan aus Gebieten höheren chemischen Potentials in Gebiete niedrigeren chemischen Potentials über, und zwar so lange, bis sich die chemischen Potentiale in beiden Gebieten ausgeglichen haben…“ Was bedeutet das? 1. Durch den Stofftransport wird eine zunehmende Angleichung des chemischen Potentials bis zum Gleichgewicht erreicht, dann stoppt der Stofftransport. 2. Stofftransport erfolgt entlang des Gradienten des chemischen Potentials so lange, wie dieser Gradient bestehen bleibt. Allein durch den Stofftransport ändert sich der Gradient nicht. Konzeptfrage 3: Chemisches Potential und chemische Reaktionen Nehmen Sie an, es handelt sich um eine exergonische Reaktion. Wie ändert sich das chemische Potential im Verlauf der Reaktion bis zum Gleichgewicht? 1. Das chemische Potential der Edukte nimmt zu und das der Produkte nimmt ab bis zur Angleichung. 2. Das chemische Potential der Edukte nimmt ab und das der Produkte zu bis zur Angleichung. 3. Die chemischen Potentiale der Edukte und Produkte ändern sich nicht im Verlauf der Reaktion. 4. Da müßte ich jetzt raten. Konzeptfrage 4: Hat die T-Abhängigkeit von µ Bedeutung für die Stabilität von Phasen? 1. Nein. 2. Ja, weil die pro Volumen vorhandene Stoffmenge (die Dichte) in unterschiedlichen Phase verschieden ist. 3. Ja, weil die Entropie sich in verschiedenen Phase unterschiedlich stark mit T ändert. 4. Keine Ahnung. Lese-Hausaufgabe G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Für Montag: Kaptitel 2.5.1 – 2.5.3 (Clausius Clapeyron) 21

Für Mittwoch: Kapitel 2.5.4, 2.5.5 bis S. 348, 2.6 (Kollegiative Eigenschaften, Chemisches Gleichgewicht) 14. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Wie groß ist die Freiheit eines Einkomponentensystems am Tripelpunkt? 1. 0 2. 1 3. 2 4. 3 Eingangstest Frage 2: Die Linien im p,T-Diagramm eines reinen Stoffes sind 1. Isochoren 2. Isothermen 3. Isobaren 4. Maxwell-Geraden 5. Phasengrenzlinien Eingangstest Frage 3: Was gibt die Clausius-Clapeyron-Gleichung im p,T-Diagramm an? 1. Den Verlauf der Isochoren 2. Den Verlauf der Phasengrenzlinien 3. Die Steigung der Phasengrenzlinien 4. Die Verdampfungsenthalpie Konzeptfrage 1: Wie stellt sich der Tripelpunkt des p,T-Diagramms (Phasendiagramm) im p,V-Diagramm realer Stoffe dar? 1. Der existiert dort nicht 2. Ebenfalls als Punkt 3. Als Gerade 4. Als Kurve Konzeptfrage 2: Welcher Bereich im Zustandsdiagramm eines realen Gases entspricht am ehesten dem des Zustandsdiagramms des idealen Gases? 1. Der gasförmige Bereich 2. Der flüssige Bereich 3. Der feste Bereich 4. Der überkritische Bereich

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Konzeptfrage 3: Bei einer bestimmten Temperatur kann eine Flüssigkeit mit ihrer Gasphase bei einem einzigen Wert des Druckes koexistieren. In einer Vakuumkammer sind Wassertropfen beim Evakuieren sehr schnell verschwunden. Würden Sie erwarten, daß ein See vollständig verdampft, wenn man nur lange genug wartet? 1. Ja 2. Nein 3. Keine Ahnung. Konzeptfrage 4: Kann man auf Trockeneis Schlittschuhlaufen? 1. Ja 2. Nein 3. Nur in sehr kalten Wintern 4. Nur bei erhöhtem Druck Konzeptfrage 5: Was ist die Ursache der sehr unterschiedlichen Steigung der Sublimations- oder Verdampfungskurve und der Schmelzkurve? 1. Der Unterschied in den Änderungen der molaren Volumina 2. Der Unterschied in den Phasenübergangsenthalpien 3. Der Unterschied in den Entropieänderungen beim Phasenübergang. 4. Müßte ich raten. Konzeptfrage 6: Was ist die Ursache der unterschiedlichen Steigung der Sublimationskurve und der Verdampfungskurve am Tripelpunkt? 1. Der Unterschied in den Änderungen der molaren Volumina 2. Der Unterschied in den Phasenübergangsenthalpien 3. Der Unterschied in den Entropieänderungen beim Phasenübergang. 4. Müßte ich raten. Lese-Hausaufgabe G. Wedler: „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012 Für Mittwoch: Kapitel 2.5.4, 2.5.5 bis S. 348, 2.6 (Kollegiative Eigenschaften, Chemisches Gleichgewicht ) 15. Vorlesung Eingangstest Frage 1: Die stöchiometrischen Koeffizienten erscheinen im Massenwirkungsgesetz als: 1. Summanden 2. Quotienten 3. Faktoren 4. Exponenten 23

Eingangstest Frage 2: Über welche Gleichung läßt sich die Formel für die Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung elegant herleiten? 1. Die Gibbs-Helmholtz Formel 2. Die Nernstsche Gleichung 3. Die van‘t Hoff Gleichung 4. Die Planck Funktion Eingangstest Frage 3: Die Änderung der Freien Enthalpie ist proportional zu… 1. Der Gleichgewichtskeitskonstanten 2. Der negativen Gleichgewichtskeitskonstanten 3. Dem Logarithmus der Gleichgewichtskeitskonstanten 4. Dem negativen Logarithmus der Gleichgewichtskeitskonstanten Konzeptfrage 1: Dampfdruckerniedrigung Was erwarten Sie für die Dampfdruckerniedrigung einer 1 molaren Kochsalz-Lösung im Vergleich zu einer 1 molaren Natriumsulfat-Lösung? 1. Die Dampfdruckerniedrigung ist in beiden Fällen identisch. 2. Die Dampfdruckerniedrigung ist für die Kochsalz-Lösung größer. 3. Die Dampfdruckerniedrigung ist für die Natriumsulfat-Lösung größer. Konzeptfrage 2: Kollegiative Eigenschaften Wo vermuten Sie die Ursache der kollegiativen Eigenschaften? 1. Im Energiegewinn bei der Auflösung 2. Im Entropiegewinn bei der Auflösung 3. Im Enthalpiegewinn bei der Auflösung Konzeptfrage 3: Siedepunkterhöhung, Gefrierpunktserniedrigung Mein gemaltes Bild ist nur schematisch. Für welchen Effekt, Siedepunkterhöhung oder Gefrierpunktserniedrigung, würden Sie den größeren Wert erwarten? 1. Für die Siedepunkterhöhung. 2. Für die Gefrierpunktserniedrigung. 3. Das hängt von den Stoffkomponenten ab. 4. Das hängt vom Druck ab. 5. Die Effekte sind gleich. Konzeptfrage 4: Mathematik Welche mathematische Funktion verknüpft > oder < als 1 mit > oder < als 0? 1 1/x 2 x1/2 3 ln x

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