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Thermodynamik Definitionen -Enthalpie -Entropie -Gibbs Energie Temperaturabhängigkeit von Gibbs-Energie Vorschrift zur Berechnung von Reaktionsenthalpien.

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Präsentation zum Thema: "Thermodynamik Definitionen -Enthalpie -Entropie -Gibbs Energie Temperaturabhängigkeit von Gibbs-Energie Vorschrift zur Berechnung von Reaktionsenthalpien."—  Präsentation transkript:

1 Thermodynamik Definitionen -Enthalpie -Entropie -Gibbs Energie Temperaturabhängigkeit von Gibbs-Energie Vorschrift zur Berechnung von Reaktionsenthalpien Beispiel : Alumosilikate And-Sill-Ky Thermodynamische Datensätze in den Geowissenschaften

2 Definition von Enthalpie - Die Enthalpie H ist eine thermodynamische Zustandsgröße. Bezeichnung -> für die abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge einer Reaktion -> in KJ (Kilojoule) gemessen Geht ein Zustand durch eine Reaktion in einen anderen über, so kann man die abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge messen, sie wird H genannt. H = H Endzustand –H Anfangszustand [1] Reaktionen, bei denen Wärme abgegeben wird nennt man exotherm. (Zahlenwerte werden mit einem negativen Vorzeichen versehen) Solche Reaktionen, die Wärme benötigen werden endotherm genannt -> positives Vorzeichen

3 Definition von Entropie (S) Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung in einem thermodynamischen System. Je größer die Unordnung in einem System ist, desto größer ist auch die Entropie. Freiwillig stellt sich immer ein Zustand mit geringer Ordnung ein. Fester, kristalliner Zustand hat höchste Ordnung und geringste Entropie Entropie nimmt zu : wenn eine Substanz schmilzt oder verdampft Entropie nimmt ab : wenn eine Substanz kondensiert oder kristallisiert S(Gesamt) = S (System) + S (Umgebung) Die Entropie kann man nicht an einem Punkt messen, sondern immer nur die Differenz zu einem anderen Zustand -> gemessen in J/K mol

4 Definition von Gibbs-Energie(Freie Enthalpie) Sie ist eine Verknüpfung der Größen Enthalpie, Entropie und absolute Temperatur. G = H – T S Da H und S Änderungen von Zustandsgleichungen sind, wird auch G als Maß für die Änderung einer neuen Zustandsgleichung definiert. -> Bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibenden Druck, kann eine Reaktion nur spontan ablaufen, wenn G kleiner als 0 ist. G < 0 : Die Reaktion läuft spontan ab (exergonisch) G = 0 : Die Reaktion befindet sich im Gleichgewicht G > 0 : Die Reaktion kann nur erzwungen werden (endergonisch) [1]

5 Temperaturabhängigkeit von Gibbs-Energie HS G = H – T SReaktion läuft stets freiwillig ab nicht freiwillig ab bei niedrigen Temp. + bei hohen T bei niedrigen Temp. freiwillig bei hohen Temp. nicht bei niedrigen Temp. - bei niedrigen T bei hohen Temp. freiwillig bei niedrigen Temp. nicht Wenn T steigt, wird wegen – T S der Wert für G negativ ---> Reaktion läuft freiwillig ab. ( S und H ändern sich nicht ) Anwendungen : Brenstoffzelle : Umsetzung von H und O in Strom Löslichkeitsprodukt von Silberchlorid und Silberiodid

6 Beispiel Alumosilikate

7 [2]

8 Bestimmung der Thermodynamischen Daten von Kyanit AlSiO 1.) Hf Standartbildungsenthalpie wird mit Hilfe eines Lösungskalorimeters ermittelt (Kalorimeter = Messgerät zur Bestimmung der Wärmemenge die bei bio., chem., phys.- Prozessen freigesetzt oder aufgenommen wird)

9 2.) Entropie S Die Entropie S wird mit der Beziehung S = Cp / T dt berechnet. wobei Cp = Wärmekapazität ist. Nun integriert man von 0 K bis 298 K. Die Wärmekapazität wird mit Hilfe eines Dynamischen-Differenz- Kalorimeters ( DDK ) bestimmt. 3.) V Molvolumen V berechnet man mit Hilfe der Beziehung ρ = M/V ρ = Dichte (wurde vorher,z.B. bei Kyanit gemessen) M = Molmasse

10 Beispielrechnung: Reaktion Grossular + Quarz Anorthit + Wollastonit CaAlSiO + SiO CaAlSiO + 2 CaSiO Thermodynamische Daten: f H ( kJ/mol ) S ( J/mol K ) V ( cm³/ mol ) Grossular -6640,0 260, Quartz -910,7 41, Anorthit -4234,0 199,3 100,79 Wollastonit -1634,8 81,7 39,90

11 G R,T = 0 = r H - T r S + r V ( P – P ) Zuerst berechnet man die Enthalpie, Entropie und das Volumen der Reaktion: Reaktionsenthalpie : r H = - f H ( Grs. ) - f H ( Qrz. ) + f H ( An. ) + 2 f H ( Wo. ) = 6640,0 kJ/mol + 910,0 kJ/mol – 4234,0 kJ/mol – ,8 kJ/mol = 47,1 kJ/mol Reaktionsentropie: r S= - S (Grs. ) – S ( Qrz. ) + S ( An. ) + 2 S ( Wo. ) = - 260,1 J/K mol – 41,5 J/K mol + 199,3 J/K mol ,7 J/K mol = 61,1 J/ K mol Volumen: r V = - V ( Grs. ) – V ( Qrz. ) + V ( An. ) + 2 V ( Wo. ) = - 125,28 cm³/mol – 22,69 cm³/mol + 100,79 cm³/mol ,9cm³/mol = 32,62 cm³/mol

12 Nun stellt man die Gleichgewichtsformel um, damit man die Gleichgewichtstemp. berechnen kann ( bei beliebigen Druck ) T = r H + r V ( P – P ) r S Werte einsetzen: T = J/mol 61,1 J/K mol = 771 K Nun rechnet man noch einmal die Tempeatur aus, aber jetzt nicht mehr bei beliebigen Druck, sondern bei Umgebungsdruck ( 1 bar = 10 Pa ) und bei 0,5 GPa ( 5 10 Pa ): T = J/mol + 32,62 10 m³/mol ( 5 10 Pa – 10 Pa ) 61,1 J/Kmol = 1038 K

13 Schlussfolgerung aus der Reaktion Die 2 Temperaturen legen die Kurve fest, wo Grossular und Quarz zu Anorthit und Wollastonit reagieren. Alle 4 Phasen ( Grossular, Quarz, Anorthit, Wollastonit ) koexistieren entlang der Linie. Auf der linken Seite sind Grossular und Quarz stabil, auf der rechten Seite sind Anorthit und Wollastonit stabil.

14 Literaturverzeichnis [1] Charles E. Mortimer Chemie – Das Basiswissen der Chemie 8. Auflage 4 [2] bochum.de/imperia/md/images/bilder/jpg/kyandsill_i.jpg


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