Physikalische Chemie. Peter W. Atkins
Чтение книги онлайн.
Читать онлайн книгу Physikalische Chemie - Peter W. Atkins страница 61
Название: Physikalische Chemie
Автор: Peter W. Atkins
Издательство: John Wiley & Sons Limited
Жанр: Химия
isbn: 9783527828326
isbn:
Arbeit, w, wird verrichtet, wenn ein Gegenstand gegen die Richtung einer auf ihn wirkenden Kraft, F, verschoben wird. Für eine Verschiebung um einen infinitesimal kleinen Betrag ds (ein Vektor) ergibt sich für die Arbeit, die am Objekt verrichtet wird,
wobei F · ds das „Skalarprodukt” der Vektoren F und ds ist:
Die Energie, die in Form von Arbeit vom System abgegeben wird, dw, ergibt sich aus dem negativen Betrag der am Objekt verrichteten Arbeit, also ist
Für eine eindimensionale Bewegung gilt dw = Fx dx, mit Fx < 0 (also Fx = –|Fx|), wenn die Bewegung entgegen der einwirkenden Kraft erfolgt. Die verrichtete Gesamtarbeit entlang des Pfades, auf dem die Bewegung erfolgt, ergibt sich aus dem Integral dieses Ausdrucks; dadurch wird berücksichtigt, dass sich F in Bezug auf die Richtung und den Betrag der einwirkenden Kraft an jedem Punkt des Pfades ändern kann. Die Kraft wird in der Einheit Newton (N) und die Distanz in Metern (m) angegeben; die SI-Einheit der Arbeit ist das Joule (J) mit
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Die SI-Einheit der Energie ist dieselbe wie die Einheit der verrichteten Arbeit, nämlich das Joule (J). Als Leistung P bezeichnet man die Rate des Energieflusses pro Zeiteinheit; sie wird in der Einheit Watt (W) angegeben:
Ein Gegenstand kann zwei verschiedene Arten von Energie besitzen: kinetische Energie (der Bewegung) und potenzielle Energie (der Lage). Die kinetische Energie Ekin eines Körpers ist diejenige Energie, die er aufgrund seiner Bewegung besitzt. Für einen Gegenstand mit der Masse m, der sich mit einer Geschwindigkeit v bewegt, ist
Da p = mv ist (siehe „Toolkit 3: Impuls und Kraft” in Abschn. 1.2), wobei p für den Betrag des Impulses steht, ist dies äquivalent zu
Die potenzielle Energie Epot eines Objekts ist die Energie, die es aufgrund seiner Lage besitzt. (Je nach Zusammenhang wird häufig V anstelle von Epot als Symbol verwendet; bitte auf keinen Fall mit dem Volumen verwechseln!) Die potenzielle Energie eines Teilchens entspricht der Arbeit, die aufgewendet werden musste, um es an seine momentane Position zu bringen. Wegen dwObjekt = –Fx dx folgt dEpot = –Fx dx, und somit gilt die folgende Beziehung zwischen der Kraft und der potenziellen Energie:
Wenn sich Epot mit steigendem x vergrößert, dann wird Fx negativ (die Kraft ist in Richtung negativer Werte für x ausgerichtet, siehe Abb. T1). Je steiler der Gradient ist, desto stärker hängt die potenzielle Energie von der Lage ab, und umso größer ist die Kraft, die auf das Teilchen wirkt.
Für die potenzieLLe Energie kann man keinen allgemeingültigen Ausdruck angeben, da sie von der Natur der Kraft abhängt, die auf den Gegenstand wirkt. Für ein Teilchen der Masse m im Schwerefeld der Erde gilt in einer Höhe h nahe der Erdoberfläche
wobei g die Beschleunigung des freien Falls ist (g = 9,81ms–2). Der Nullpunkt der potenziellen Energie ist willkürlich; im vorliegenden Fall ist es daher am sinnvollsten, V(0) = 0 zu setzen. Eine der wichtigsten Arten der potenziellen Energie in der Chemie ist die Coulomb-Energie, die potenzielle Energie der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen zwei elektrischen Punktladungen q1 und q2, die sich im Abstand r voneinander befinden:
In dieser Gleichung ist ε (epsilon) die Permittivität (auch dielektrische Leitfähigkeit genannt), deren Betrag vom Medium zwischen den beiden Ladungen abhängig ist. Sind die Ladungen durch ein Vakuum voneinander getrennt, dann ersetzen wir ε durch die Vakuumpermittivität ε0, eine fundamentale Naturkonstante mit dem Wert 8,854 × 10–12 J–1 C2 m–1. In einem anderen Medium als dem Vakuum, wie z. B. in Luft, Wasser oder Öl, ist die Permittivität £ größer, da die potenzielle Energie der Wechselwirkung zwischen zwei Ladungen reduziert wird. Die Permittivität wird meist als Vielfaches der Vakuumpermittivität ausgedrückt,
wobei εr die dimensionslose relative Permittivität (früher als Dielektrizitätskonstante bezeichnet) ist.
Die Gesamtenergie E eines Teilchens ist die Summe seiner kinetischen und seiner potenziellen Energien,
Solange keine äußeren Kräfte auf ein Objekt wirken, bleibt seine Gesamtenergie konstant. Diese zentrale Aussage der klassischen Physik ist als Energieerhaltungssatz bekannt. Potenzielle und kinetische Energie können ineinander umgewandelt werden, aber ihre Summe bleibt konstant.
Ein Prozess, der Energie in Form von Wärme freisetzt, wird als exotherm bezeichnet. Verbrennungsreaktionen beispielsweise sind chemische Reaktionen, bei denen Substanzen mit Sauerstoff reagieren, üblicherweise in einer Flamme. Für die Verbrennung von Methangas, CH4 (g), schreiben wir:
Verbrennungsreaktionen verlaufen grundsätzlich exotherm. Obwohl die Temperatur im Laufe der Zeit bei der Verbrennung ansteigt, kehrt ein System in einem Behälter mit diathermischen Wänden wieder zur Umgebungstemperatur zurück; daher ist es beispielsweise legitim davon zu sprechen, dass eine Verbrennung „bei 25 °C” durchgeführt wird. Wenn die Verbrennung hingegen in einem adiabatischen Behälter abläuft, verbleibt die in Form von Wärme freigesetzte Energie im Behälter und sorgt dadurch für einen permanenten Anstieg der Temperatur, während die Reaktion abläuft.
Prozesse, СКАЧАТЬ