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Anschauliches und um Verständlichkeit bemühtes Lehrbuch der klassischen Thermodynamik für Studierende der Chemie, Physik und Biologie, mit einem knappen Exkurs in die statistische Thermodynamik.

Die anschauliche und verständliche Einführung enthält alle wesentlichen Grundlagen der Thermodynamik. Der Schwerpunkt liegt auf der Anschaulichkeit der Darstellung, obwohl bezüglich des anspruchsvollen Inhalts der Thermodynamik sowie der mathematischen Zusammenhänge keine Vereinfachungen vorgenommen wurden. Das Lehrbuch richtet sich vor allem an Dozenten und Studierende der Chemie (im Haupt- und Nebenfach), Physik und Biologie. Das Lehrbuch verfügt über einen umfangreichen Index, über 100 Diagramme in Farbe, 22 Tabellen, fast 100 Beispiele (teils mit Rechnungen), weit über 300 Kontrollfragen (mit Lösungen) sowie 38 Erläuterungen (insbesondere zu mathematischen Herleitungen).

Aus dem Inhalt:

1.11 Reversible und irreversible Prozesse 27 / 1.11.1 Problematik 27 / 1.11.2 Periodische Prozesse 27 / 1.11.3 Jederzeit umkehrbare Prozesse 27 / 1.11.4 Quasi-reversible Prozesse 28 / 1.11.5 Quasi-statische Prozesse 28 / 1.11.6 Triebkraft thermodynamischer Prozesse 29 / 1.12 Zustandsgleichungen 29 / 1.12.1 Zusammenhang zwischen zwei Größen 29 / 1.12.2 Allgemeine Zustandsgleichung 30 // 2 Die thermischen Zustandsgleichungen 33 / 2.1 Die grundlegenden Beziehungen 33 / 2.1.1 Einführung 33 / 2.1.2 Die Zustandsgleichung für das Volumen mit T, p und n 33 / 2.1.3 Isobare Erwärmung 35 / 2.1.4 Isotherme Kompression 38 / 2.1.5 Das molare Volumen 41 / 2.1.6 Isochore Erwärmung 41 / 2.1.7 Adiabatische Kompression 43 / 2.1.8 Vergleich der verschiedenen Prozesswege 43 / 2.1.9 Thermische Zustandsgleichung mit stoffspezifischen Koeffizienten 44 / 2.2 Die Zustandsgleichung des idealen Gases 45 / 2.2.1 Der mathematische Zusammenhang 45 / 2.2.2 Die Zustandsfläche des idealen Gases 46 / 2.2.3 Partielle Differentiation der Zustandsgleichung des idealen Gases 47 / 2.2.4 Anwendung der Zustandsgleichung des idealen Gases 49 / 2.3 Die Zustandsgleichungen realer Gase 51 / 2.3.1 Einführung 51 / 2.3.2 Die Isothermen realer Gase 52 / 2.3.3 Spezielle Aspekte 60 // 3 Innere Energie, erster Hauptsatz und Enthalpie 63 / 3.1 Die Innere Energie 63 / 3.1.1 Eigenschaften 63 / 3.1.2 Kalorische Zustandsgleichungen der Inneren Energie 65 / 3.1.3 Molare Innere Energie 66 / 3.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 66 / 3.2.1 Festlegung anhand der verschiedenen Prozessgrößen 66 / 3.2.2 Erläuterung des 1. HS anhand der Erwärmung des idealen Gases 68 / 3.2.3 Perpetuum Mobile erster Art 68 / 3.3 Die Enthalpie 69 / 3.3.1 Begründung ihrer Einführung und Definition 69 / 3.3.2 Die Enthalpie bei isobaren Prozessen 71 / 3.3.3 Die Enthalpie bei beliebigen Prozessen 72 / 3.3.4 Zusammenfassung 74 / 3.4 Der erste Hauptsatz im offenen stationären System 75 / 3.5 Die kalorische Zustandsgleichung der Enthalpie 75 // 4 Wärme und Wärmekapazität 77 / 4.1 Allgemeines 77 / 4.2 Energetische Freiheitsgrade 77 / 4.3 Isochore Prozesse 78 / 4.3.1 Isochore Wärmekapazität homogener Reinstoffe 78 / 4.3.2 Die isochore molare Wärmekapazität des idealen Gases 79 / 4.3.3 Die isochore molare Wärmekapazität mehratomiger Gase 80 / 4.4 Isobare Prozesse 82 / 4.4.1 Isobare Wärmekapazität homogener Reinstoffe 82 / 4.4.2 Die isobare molare Wärmekapazität idealer Gase 84 / 4.4.3 Die molare Wärmekapazität von Feststoffen 84 / 4.4.4 Zusammenhang zwischen den molaren Wärmekapazitäten 85 // 5 Volumenarbeit und Volumenänderungsprozesse 87 / 5.1 Übersicht 87 / 5.2 Irreversible Volumenarbeit 88 / 5.2.1 Einstufiger Modellprozess 88 / 5.2.2 Darstellung imp, V -Diagramm 89 / 5.2.3 Energiebilanz 90 / 5.3 Reversible isotherme Volumenarbeit 91 / 5.3.1 Mehrstufiger irreversibler Modellprozess 91 / 5.3.2 Darstellung imp, V -Diagramm 92 / 5.3.3 Stufenloser reversibler Modellprozess 93 / 5.3.4 Bilanz der reversiblen isothermen Volumenarbeit 94 / 5.4 Reversible adiabatische Volumenarbeit 95 / 5.4.1 Allgemeines 95 / 5.4.2 Verlauf der Adiabate idealer Gase 96 / 5.5 Isobare Volumenarbeit 97 / 5.5.1 Volumenarbeit aufgrund einer Erwärmung 97 / 5.5.2 Volumenarbeit aufgrund von Stoffumwandlungen 98 / 5.6 Besonderheiten 99 / 5.6.1 Nutzarbeit bei der Expansion eines Gases 99 / 5.6.2 Kombination der Expansion und Kompression von zwei Gasen 99 / 5.6.3 Polytrope 100 / 5.6.4 Irreversible Expansion eines Gases ins Vakuum 100 // 6 Prozesse zur Gewinnung von Arbeit aus Wärme 101 / 6.1 Kreisprozess unter Erwärmung und Abkühlung eines Gases 101 / 6.2 Der Carnotsche Kreisprozess 103 / 6.2.1 V oraussetzungen 103 / 6.2.2 Allgemeine Prozessfuhrung 103 / 6.2.3 Teilschritte 104 / 6.2.4 Nutzarbeit 105 / 6.2.5 Wirkungsgrad 105 / 6.3 Inverser Carnotscher Kreisprozess 107 / 6.3.1 Allgemeines und Definitionen 107 / 6.3.2 Wärmepumpe 108 / 6.3.3 Kühlschrank, Klimaanlage 109 / 6.4 Zustandsgrößen und ihr Kreisintegral 109 / 6.5 Technische Umwandlung von Wärme in Arbeit 110 // 7 Entropie und zweiter Hauptsatz 111 / 7.1 Einführung 111 / 7.2 Definition der Entropie 111 / 7.2.1 Festlegung der Entropie über die reversibel übertragene Wärme 111 / 7.2.2 Statistische Definition der Entropie 114 / 7.2.3 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik 116 / 7.3 Die Entropie bei verschiedenen Prozessen 116 / 7.3.1 Die Zustandsgleichungen der Entropie 116 / 7.3.2 Isotherme Expansion bzw. Kompression 117 / 7.3.3 Reversible adiabatische Expansion oder Kompression 118 / 7.3.4 Isochore Erwärmung oder Abkühlung 120 / 7.3.5 Isobare Erwärmung 121 / 7.3.6 Änderung von Temperatur und Volumen 123 / 7.3.7 Isobar-isotherme Prozesse 123 / 7.4 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 124 / 7.4.1 Hintergrund 124 / 7.4.2 Auswirkungen des zweiten Hauptsatzes 126 // 8 Freie Energie und Freie Enthalpie 127 / 8.1 Die Freie Energie (Helmholtz-Energie) 127 / 8.1.1 Definition der Freien Energie 127 / 8.1.2 Die Freie Energie bei reversiblen isothermen Prozessen 129 / 8.1.3 Die Freie Energie bei beliebigen reversiblen Prozessen 130 / 8.2 Die Freie Enthalpie (Gibbs-Energie) 131 / 8.2.1 Begründung für die Einführung der Freien Enthalpie 131 / 8.2.2 Die Freie Enthalpie bei isobar-isothermen Prozessen 132 / 8.2.3 Die Freie Enthalpie bei beliebigen Prozessen 132 / 8.3 Zusammenfassung 133 // 9 Homogene Mischungen - Chemisches Potential 135 / 9.1 Einführung 135 / 9.2 Intensive Stoffmengengrößen 136 / 9.2.1 Übersicht 136 / 9.2.2 Partialdruck 136 / 9.2.3 Molenbruch 137 / 9.2.4 Konzentration 138 / 9.2.5 Molalität 139 / 9.2.6 Zusammenfassung 139 / 9.3 Volumenänderung bei homogenen Mischprozessen 139 / 9.3.1 Partielles molares Volumen 139 / 9.3.2 Mischungsvolumen und mittleres molares Mischungsvolumen 141 / 9.3.3 Bestimmung der partiellen molaren Volumina 142 / 9.3.4 Gibbs-Duhemsche Beziehung 143 / 9.4 Änderung der Enthalpie bei Mischprozessen 144 / 9.4.1 Allgemeines 144 / 9.4.2 Vermischung von Gasen 144 / 9.4.3 Klassifizierung der Mischprozesse in flüssiger Phase 144 / 9.4.4 Exotherme und endotherme Vermischung 145 / 9.4.5 Mischungsenthalpie in idealer und realer Mischung 146 / 9.4.6 Lösungsenthalpie 147 / 9.4.7 Spezielle Mischungsenthalpien 148 / 9.5 Änderung der Entropie bei Mischprozessen 149 / 9.5.1 Die Besonderheit der Entropie in Mischungen 149 / 9.5.2 Partielle molare Entropie in idealer Mischung 150 / 9.5.3 Mittlere molare Mischungsentropie in idealer Mischung 150 / 9.5.4 Mischungsentropie in realer Mischung 153 / 9.6 Das chemische Potential 154 / 9.6.1 Definition des chemischen Potentials 154 / 9.6.2 Das chemische Potential in idealen flüssigen Mischungen 154 / 9.6.3 Das chemische Potential in realen flüssigen Mischungen 157 / 9.6.4 Chemisches Potential des idealen Gases 158 / 9.6.5 Chemisches Potential des realen Gases 159 / 9.6.6 Mischungen von Gasen 159 / 9.6.7 Chemisches Potential gelöster Substanzen in idealer Lösung 160 / 9.6.8 Chemisches Potential ungeladener Substanzen in realer Lösung 160 / 9.6.9 Aktivitätskoeffizienten in Elektrolytlösungen 162 / 9.6.10 Reinstoffe in kondensierter Phase 162 / 9.6.11 Vergleich der verschiedenen Standardzustände 162 / 9.6.12 Einfluss von Druck, Temperatur und Molenbruch 163 // 10 Die fundamentalen Zusammenhänge 165 / 10.1 Vorbemerkungen 165 / 10.2 Die Fundamentalgleichungen 165 / 10.2.1 Die Fundamentalgleichung der Inneren Energie 165 / 10.2.2 Die Fundamentalgleichung der Enthalpie 167 / 10.2.3 Die Fundamentalgleichung der Freien Energie 167 / 10.2.4 Die Fundamentalgleichung der Freien Enthalpie 168 / 10.3 Die thermodynamischen Potentiale 170 / 10.3.1 Die Innere Energie 170 / 10.3.2 Die Enthalpie, Freie Energie und Freie Enthalpie 171 / 10.4 Die Fundamentalgleichungen für chemische Reaktionen 173 / 10.5 Die charakteristischen Zustandsgleichungen 174 / 10.5.1 Einführung 174 / 10.5.2 Die charakteristische Gleichung der Inneren Energie 175 / 10.5.3 Die charakteristische Gleichung der Enthalpie 176 / 10.5.4 Die charakteristische Gleichung der Freien Energie 177 / 10.5.5 Die charakteristische Gleichung der Freien Enthalpie 178 / 10.6 Beispiele zur Anwendung der Fundamentalgleichungen 179 / 10.6.1 Vorbemerkungen 179 / 10.6.2 Reversible isotherme Expansion von Gasen 180 / 10.6.3 Irreversible isotherme Expansion eines Gases 180 / 10.6.4 Reversible adiabatische Kompression von Gasen 181 / 10.6.5 Maxwellsche Gleichungen. Kalorische Zustandsgleichungen 181 / 10.6.6 Adiabatische Gasverflüssigung 183 / 10.7 Zusammenfassung 186 / 10.7.1 Zustandsgrößen und Prozessgrößen 186 / 10.7.2 Verwendung der zusammengesetzten Zustandsgrößen 187 / 10.7.3 Zusammenhang zwischen den thermodynamischen Potentialen 187 / 10.7.4 Beschreibung beliebiger Prozesse mit der FG1 der Inneren Energie 190 / 10.7.5 Bedeutung des chemischen Potentials bei Stoffumsetzungen 190 // 11 Die Triebkraft 191 / 11.1 Einführung 191 / 11.2 Dissipativer Modellprozess 192 / 11.3 Ausgleichsvorgänge 193 / 11.4 Beispiele 193 / 11.4.1 Expansion des idealen Gases ins Vakuum 193 / 11.4.2 Irreversible Übertragung von Wärme 194 / 11.4.3 Konzentrationsausgleich 195 / 11.4.4 Chemische und elektrochemische Reaktionen 195 / 11.4.5 Phasenumwandlungen 196 // 12 Chemische Reaktionen und ehern. Gleichgewicht 197 / 12.1 Einführung 197 / 12.2 Die molaren Reaktionsgrößen 198 / 12.2.1 Vorbemerkungen und Festlegungen 198 / 12.2.2 Das (partielle bzw. mittlere) molare Reaktionsvolumen 199 / 12.2.3 Die (partielle bzw. mittlere) molare Reaktionsenthalpie 200 / 12.2.4 Standardreaktionsenthalpie und Standardbildungsenthalpie 203 / 12.2.5 Die (partielle bzw. mittlere) molare Reaktionsenergie 206 / 12.2.6 Die (partielle) molare Reaktionsentropie 207 / 12.2.7 Die (partielle) molare Freie Reaktionsenthalpie 209 / 12.3 Die Bilanzgleichung der molaren Reaktionsgrößen 213 / 12.3.1 Einführung 213 / 12.3.2 Zusammenhang zwischen Entropie und Triebkraft 214 / 12.3.3 Die Triebkraft mit AG 218 / 12.3.4 Gibbs-Helmholtz-Gleichung 221 / 12.4 Gleichgewichtskonstanten 222 / 12.4.1 Massenwirkungsgesetz 222 / 12.4.2 Thermodynamische Gleichgewichtskonstante 224 / 12.4.3 Gleichgewichtskonstanten in homogener flüssiger Mischung 225 / 12.4.4 Gleichgewichtskonstanten in Lösung 226 / 12.4.5 Gleichgewichtskonstanten bei homogenen Gasreaktionen 227 / 12.4.6 Gleichgewichtskonstanten heterogener Reaktionen 228 / 12.4.7 Die Dissoziationskonstante von Säuren, pH-Wert 228 / 12.4.8 Ostwaldsches Verdünnungsgesetz 230 / 12.5 Abhängigkeit der molaren Reaktionsgrößen vonT und p 230 / 12.5.1 Temperaturabhängigkeit der molaren Reaktionsenthalpie 230 / 12.5.2 Druckabhängigkeit der molaren Reaktionsenthalpie 232 / 12.5.3 Abhängigkeit der molaren Freien Reaktionsenthalpie von Tundp 232 / 12.5.4 Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten 233 / 12.5.5 Druckabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten 233 / 12.6 Berechnung der molaren Reaktionsgrößen 234 // 13 Elektrochemische Gleichgewichte 237 / 13.1 Elektrochemische Halbzelle und elektrochemische Zelle 237 / 13.2 Elektrodenpotentiale 238 / 13.2.1 Elektrodentypen nach Art der durchtretenden Ladung 238 / 13.2.2 Metall/Metallionenelektroden (Elektroden erster Art) 238 / 13.2.3 Redoxelektroden 241 / 13.2.4 Gaselektroden 242 / 13.2.5 Standardelektrodenpotentiale und Spannungsreihe 242 / 13.2.6 Die Nernstsche Gleichung 244 / 13.2.7 Elektroden zweiter Art 245 / 13.3 Zellspannung und Klemmenspannung 248 / 13.3.1 Zellspannung 248 / 13.3.2 Reversible elektrochemische Arbeit 249 / 13.3.3 Klemmenspannung 2 51 / 13.3.4 Galvanische Zellen 251 / 13.3.5 Elektrolysezellen 252 / 13.3.6 Bestimmung der Zellspannung während einer Reaktion 252 / 13.3.7 Temperaturabhängigkeit der Zellspannung 253 / 13.3.8 Druckabhängigkeit der Zellspannung 254 // 14 Phasengleichgewichte 255 / 14.1 Einführung 255 / 14.2 Einstellung und Veränderung des Phasengleichgewichtes 255 / 14.2.1 Modellprozess 255 / 14.2.2 Die gegenläufigen Tendenzen bei Phasenübergängen 256 / 14.2.3 Die Randbedingungen für das Phasengleichgewicht 257 / 14.3 Mehrphasige Einkomponentensysteme 258 / 14.3.1 Einführung 258 / 14.3.2 Beeinflussung der Lage des Phasengleichgewichtes von Reinstoffen 259 / 14.3.3 Zustandsdiagramm von Reinstoffen 265 / 14.3.4 Zustandsdiagramm von Kohlendioxid 267 / 14.4 Systeme im Kontakt mit Luft 268 / 14.4.1 Einführung 268 / 14.4.2 Einfluss von Luft auf den Dampfdruck von Flüssigkeiten 268 / 14.4.3 Zustandsdiagramm des Wassers in Gegenwart von Luft 269 / 14.4.4 Allgemeine Beispiele 270 / 14.5 Lösungen 272 / 14.5.1 Allgemeines 272 / 14.5.2 Isotherme Dampfdruckabsenkung 273 / 14.5.3 Isobare Siedepunktserhöhung 275 / 14.5.4 Isobare Gefrierpunktsabsenkung 277 / 14.5.5 Zustandsdiagramm des Wassers in einer Lösung 278 / 14.5.6 Allgemeine Beispiele 279 / 14.6 Spezielle Effekte 281 / 14.6.1 Osmotischer Druck 281 / 14.6.2 Verteilungsgleichgewicht 283 / 14.6.3 Stoffünspezifische Effekte von Substanzen 283 / 14.7 Flüssige Mischungen mit gemeinsamer Gasphase 285 / 14.7.1 Vorbemerkungen 285 / 14.7.2 Dampfdruckdiagramme 285 / 14.7.3 Siedediagramme 288 / 14.8 Schmelzdiagramme 292 // 15 Grenzflächengleichgewichte 295 / 15.1 V orbemerkungen 295 / 15.2 Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung 295 / 15.2.1 Oberflächenspannung 295 / 15.2.2 Grenzflächenspannung 297 / 15.3 Adsorption 299 / 15.4 Kolloide 302 // 16 Statistische Thermodynamik 303 / 16.1 Vorbemerkungen 303 / 16.2 Konfiguration und Mikrozustände 304 / 16.3 Die Boltzmann-Verteilung 306 / 16.4 Die molekulare Zustandssumme (Molekülzustandssumme) 308 / 16.4.1 Energieniveaus und Exponentialterme 308 / 16.4.2 Definition und allgemeine Eigenschaften 310 / 16.4.3 Einfluss einer Veränderung der Temperatur 311 / 16.4.4 Mittlere molekulare Energie 312 / 16.4.5 Molekulare Zustandssumme bezüglich mehrerer Freiheitsgrade 312 / 16.4.6 Molekulare Zustandssumme der Translation 313 / 16.4.7 Molekulare Zustandssumme der Rotation 314 / 16.4.8 Molekulare Zustandssumme der Schwingung 315 / 16.4.9 Charakteristische Temperatur 317 / 16.5 Kanonische Zustandssumme (Systemzustandssumme) 318 / 16.6 Die thermodynamischen Zustandsgrößen 320 / 16.6.1 Innere Energie 320 / 16.6.2 Wärmekapazität 322 / 16.6.3 Entropie 323 / 16.6.4 Freie Energie 325 / 16.6.5 Druck 325 / 16.6.6 Enthalpie 326 / 16.6.7 Freie Enthalpie 326 / 16.7 Die thermodynamische Gleichgewichtskonstante 326 // 17 Anhang 329 / 17.1 Erläuterungen (Übersicht s. S. XV) 329 / 17.2 Antworten auf die Fragen 347 / 17.3 Merktafel - Register 357 / 17.4 Literatur 360 / 17.5 Sachindex 361