Physikalische Chemie II

Physikalische Chemie II (PCII) – Thermodynamik/Elektrochemie

Vorlesung & Übung
Veranstaltungsnummer: LSF#105129 & LSF#101277
SWS: 4 + 2

Vorlesungstermine (wöchentlich):

Di 9-11:00 Uhr (Raum: INF 252 / HSO)
Do 9-11:00 Uhr (Raum: INF 252 / HSO)

Übungen: wöchentlich nach Vereinbarung
Übungsgruppen: nähere Informationen in der ersten Vorlesung
Klausurtermin: Donnerstag, der 18. Juli 2013; 17-19:00 Uhr (Großer Hörsaal)
Nachklausurtermin: Samstag, der 14.09.2013; 10-12:00 Uhr (Großer Hörsaal, INF 252)
Literatur:
P.W. Atkins und J. de Paula, Physikalische Chemie, Wiley-VCH, 2010
G. Wedler und H.-J. Freund, Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley-VCH, 2012
R. Reich, Thermodynamik, VCH, 1993
T. Engel and P. Reid, Physical Chemistry, Pearson, 2013
C.H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie, Wiley-VCH, 2005

Vorlesung

Inhalt:

Thermodynamik:

Überblick und Einführung in das Thema, Größenordnungen, Dezimalvorsätze, SI-Einheiten und abgeleitete Größen (Kraft, Energie, Druck, Leistung).
Gasförmige und kondensierte Materie, Zustandsgrößen, Temperaturbegriff und Nullter Hauptsatz der Thermodynamik, Definition ideales Gas.
Gesetze von Boyle und Gay-Lussac, Hypothese von Dalton/Avogadro, Zustandsgleichung idealer Gase, Zustandsgrößen und Zustandsfunktionen, totales Differential einer Funktion mit mehreren Variablen.
Totales Differential und partielle Ableitungen. Zustandsgrößen, Zustandsfunktionen, Schwarzscher Satz, Gasmischungen und Partialdrücke.
Abweichung vom idealen Verhalten (reales Gas), Darstellung von Wechselwirkungen durch Potentialkurven; Charakterisierung Gas, Flüssigkeit, Festkörper, Phasendiagramme und kritische Temperatur, Isothermen realer Gase, Koexistenzbereich von Gas und Flüssigkeit; Kritische Größen bzw. Materie im überkritischen Bereich; Van der Waals Zustandsgleichung.
Mikroskopische Beschreibung von Druck; Zusammenhang zwischen (mittlerer) kinetischer Energie der Gasteilchen und Temperatur; Freiheitsgrade der Energie/Bewegung in Molekülen, Äquipartitionsprinzip.
Energieformen Wärme und Arbeit, mechanischer Energiesatz, mechanisches Wärmeäquivalent, reversible Prozesse, reversible und irreversible Expansion von Gasen, Arbeitsverrichtung bei der reversiblen, isothermen Expansion bzw. Kompression eines Gases, speziell eines idealen Gases, Innere Energie (U) eines Systems, U als Zustandsfunktion, 1. Hauptsatz der Thermodynamik, Anwendungen.
Darstellung der Zustandsänderungen im p-V Diagramm, molare Wärmekapazität, adiabatische Vorgänge, Adiabatengleichungen (Poisson Gleichungen), Molwärme von Gasen und molekulare Struktur, Freiheitsgrade der Bewegung, Temperaturabhängigkeit der Molwärme von Gasen.
Molwärme von festen Elementen, Modell dreidimensionaler Oszillatoren, Regel von Dulong-Petit, Temperaturabhängigkeit der Molwärme fester Elemente, Umwandlung von Wärme in Arbeit und vice versa durch reversible Prozessführung, Gewinnung von Arbeit durch eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine.
Carnotscher Kreisprozess, Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, 2. Hauptsatz der Thermodynamik, Perpetuum Mobile 2. Art, Wärmekraftmaschinen, Sterling Motor und Verbrennungsmotoren, Kraftwärmemaschinen.
Güteziffer der Kraftwärmemaschinen, Kühlschrank und Wärmepumpe, Konsequenz einer Super-Carnotmaschine, Wegabhängigkeit von ausgetauschter Wärme und verrichteter Arbeit, Thermodynamische Definition der Entropie, Entropie als Zustandsfunktion.
Entropieänderung in abgeschlossenen Systemen bei reversibler und irreversibler Prozessführung (Ungleichung von Clausius), molekulares Bild der Entropie, Entropie und Wahrscheinlichkeit (Boltzmannsche Entropieformel), Wahrscheinlichkeit und Zahl der Realisierungsmöglichkeiten, Thermochemie, Prozesse (chemische Reaktionen) bei konstantem Druck und bei konstantem Volumen.
Definition Enthalpie (H), H als Zustandsfunktion, Standardbildungsenthalpie. Standardreaktionsenthalpie, Dissoziationsenergie und Dissoziationsenthalpie, Nullpunktsschwingungen. Wärmesatz von Hess (Wegunabhängigkeit der Reaktionsenthalpie), Temperaturabhängigkeit von Reaktionsenthalpien (Kirchhoffsches Gesetz).
Joule-Thomson Effekt, Joule-Thomson-Koeffizient, 3. Hauptsatz der Thermodynamik, Freie Energie A (Helmholtz Energie) und Freie Enthalpie G (Gibbs Energie), Spontaneitätskriterium für Prozesse und Reaktionen, Prinzip minimaler Energie (innere Energie bzw. Enthalpie) & maximaler Unordnung.
Verhalten von A und G beim Vermischen von Edelgasen, Fundamentalgleichungen der Thermodynamik (Guggenheim Schema), extensive und intensive Größen, charakteristische Funktionen. Duckabhängigkeit und Temperaturabhängigkeit von G bei Gasen undFlüssigkeiten / Festkörpern, Chemisches Potential eines reinen Stoffes und einer Komponente in einer Mischung.
Exotherme, endotherme, exergonische und endergonische Reaktionen, Reaktionslaufzahl bzw. Reaktionsstand
Triebkraft einer Reaktion, Gleichgewichtskonstante, Massenwirkungsgesetz für Gase, Gleichgewichtskonstante und Stoffzusammensetzung. Verschiebung von Gleichgewichten (Prinzip des kleinsten Zwangs, Le Chatelier), van't Hoff, Ulichsche Näherung, Phasendiagramme (H2O, CO2), Phasenübergänge in Festkörpern, Phasenübergänge 1. und 2. Ordnung, Clapeyronsche Gleichung mit Anwendungen.
Eigenschaften einfacher Mischungen, Thermodynamik von Mischphasen, Kolligative Eigenschaften: osmotischer Druck, Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung
Phasendiagramme von Zweikomponentensystemen: Dampfdruckdiagramme, Siedediagramme, Flüssig/Flüssig-Phasendiagramme, Flüssig/Fest-Phasendiagramme
Boltzmann´scher e-Satz, Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung