Physik und physikalische Chemie

Wärmelehre und Grundlagen der Thermodynamik

Temperatur, Wärme und die Hauptsätze der Thermodynamik, angewandt auf Gase, Phasenübergänge, Mischungen und den Stofftransport durch Diffusion.

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Temperatur beschreibt, wie heftig sich Teilchen bewegen. Wärme ist die Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds von einem Körper auf einen anderen übergeht. Aus diesen beiden Größen baut sich die gesamte Wärmelehre auf. Wer verstehen will, warum ein Autoklav mit gespanntem Wasserdampf deutlich über 100 °C erreicht oder warum eine Kochsalzlösung später gefriert als reines Wasser, braucht genau dieses Gerüst.

Am Anfang stehen Temperaturskalen und Messverfahren, danach das Verhalten der Materie beim Erwärmen. Das ideale Gas bildet dabei den zentralen Rechenteil. Reale Gase und die molekulare Deutung über Teilchengeschwindigkeiten zeigen, woher das Modell kommt und wo es an seine Grenzen stößt. Darauf setzt die Thermodynamik auf: Sie führt von Wärmekapazität und Kalorimetrie über den ersten Hauptsatz und die Kreisprozesse bis zu Entropie und den thermodynamischen Potentialen, mit denen sich Reaktionsenthalpien, Freiwilligkeit und Gleichgewichte beschreiben lassen. Die Wärmeübertragung ergänzt, auf welchen Wegen Wärme tatsächlich fließt.

Der letzte Teil wendet all das an. Er beginnt mit Phasenübergängen in Einstoffsystemen, geht weiter zu Mischungen mit kolligativen Eigenschaften und Osmose und endet bei Diffusion und Membrantransport. Hier liegen die physikalischen Grundlagen von Destillation, Gefriertrocknung, Extraktion und Arzneistofffreisetzung, und der Übergang zur physikalischen Chemie wird unmittelbar sichtbar.

Allgemeine Aspekte

Temperatur als Zustandsgröße, Wärme als Energie

Temperatur beschreibt einen Zustand, Wärme eine übertragene Energie, und die …

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Kelvin- und Celsius-Skala, Umrechnung und Anwendung

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Flüssigkeitsthermometer und Bimetall

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Thermische Eigenschaften

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Temperaturabhängigkeit von Dichte und Viskosität

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Elektrischer Widerstand und Temperatur

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Modell und Zustandsgleichung des idealen Gases

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Satz von Avogadro, Stoffmenge und Gasdichte

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Molares Normvolumen und Gasvolumina bei Reaktionen

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Isotherme Zustandsänderung: Gesetz von Boyle-Mariotte

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Druckgasflaschen, geschlossene Gefäße und Gasblasen

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Isobare Zustandsänderung: Gesetz von Gay-Lussac

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Isochore Zustandsänderung und Zustandsdiagramme

Das Gesetz von Amontons beschreibt, wie der Druck eines idealen …

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Reale Gase: Abweichung, Van-der-Waals-Gleichung, Verflüssigung

Warum echte Gase vom idealen Gasgesetz abweichen, wie die Van-der-Waals-Gleichung …

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Thermische Bewegung, Brown’sche Bewegung und freie Weglänge

Wie die ständige Teilchenbewegung entsteht, wie man sie an suspendierten …

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Kinetische Energie und mittlere Teilchengeschwindigkeit

Wie die mittlere kinetische Energie und die mittlere Geschwindigkeit von …

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Maxwell-Boltzmann-Verteilung und Boltzmann-Faktor

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Wärme und Thermodynamik

Wärmekapazität und spezifische Wärmekapazität

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Wärmemenge, Heizleistung und Heizdauer berechnen

Wie man aus Heizleistung, Masse und Wärmekapazität die benötigte Wärme …

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Kalorimetrie: Messung von Wärme und Wärmekapazität

Wie man im wärmeisolierten Gefäß über Wärmebilanzen Mischtemperaturen, Wärmekapazitäten und …

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Erster Hauptsatz, innere Energie und Zustandsgrößen

Wie Systemgrenzen, Zustands- und Prozessgrößen zusammenhängen und wie der 1. …

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Isochore, isobare und isotherme Zustandsänderungen

Wie sich bei isochoren, isobaren und isothermen Prozessen idealer Gase …

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Molare Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und Volumen

Diese Einheit erklärt, was die molare Wärmekapazität angibt, warum sie …

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Adiabatische Prozesse: Wärme, Arbeit und Temperatur

Ein adiabatischer Prozess läuft ohne Wärmeaustausch ab, deshalb wird die …

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Adiabate und Isotherme im Vergleich

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Kreisprozesse, Wärmekraftmaschine und Carnot-Prozess

Wie ein Kreisprozess bilanziert wird, wie man den Wirkungsgrad einer …

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Der Carnot-Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Wärme zwischen …

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Entropie: Definition und Eigenschaften

Die Entropie als extensive Zustandsgröße mit der Einheit J/K und …

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Zweiter Hauptsatz und irreversible Prozesse

Der 2. Hauptsatz legt über die Entropie fest, in welche …

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Entropieänderung bei Phasenübergängen

Wie man die Entropieänderung beim Schmelzen, Verdampfen und Erstarren aus …

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Entropieänderungen idealer Gase

Wie sich die Entropie eines idealen Gases bei adiabatischer, isothermer …

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T-S-Diagramm und Entropie im Kreisprozess

Wie man im Temperatur-Entropie-Diagramm Isothermen und Isentropen erkennt, Wärmen als …

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Enthalpie, freie Energie und freie Enthalpie

Wie Enthalpie, freie Energie und freie Enthalpie aus der inneren …

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Reaktionsenthalpie und Hess’scher Satz

Wie man Reaktionsenthalpien über den Hess’schen Satz aus Teilreaktionen und …

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Freie Enthalpie, Freiwilligkeit und Gleichgewicht

Wie die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Enthalpie und Entropie zur freien Reaktionsenthalpie verbindet …

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Wärmeübertragung

Wärmeleitung und Fourier-Gesetz

Wie Wärme durch feste Stoffe fließt, wie man den Wärmestrom …

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Konvektion: freie und erzwungene Wärmeübertragung

Konvektion ist die Wärmeübertragung durch strömende Materie. Diese Einheit behandelt …

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Wärmestrahlung und Wärmedämmung

Wie warme Körper Energie als elektromagnetische Strahlung abgeben, was Stefan-Boltzmann …

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Aggregatzustände

Phasenübergänge im Teilchenbild und Haltepunkte

Wie sich Teilchenabstand und Kohäsion bei Schmelzen, Erstarren, Sieden und …

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Umwandlungswärmen und ihre Werte bei Wasser

Wie viel Energie Schmelzen, Verdampfen und Sublimieren kosten, welche Werte …

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Berechnungen mit Schmelz- und Verdampfungswärme

Wie man mit Schmelz- und Verdampfungswärme Wärmemengen, Massen, Heizdauern, Plateaulängen …

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Sättigungsdampfdruck reiner Flüssigkeiten

Wie sich über einer reinen Flüssigkeit ein Gleichgewichtsdruck des Dampfes …

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Siedebedingung, Druckabhängigkeit und Autoklav

Wann eine Flüssigkeit siedet, warum die Siedetemperatur von Wasser vom …

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Aufbau des p-T-Phasendiagramms von Einstoffsystemen

Wie ein p-T-Phasendiagramm aufgebaut ist und wo darin Phasengebiete, Grenzkurven …

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Phasendiagramm des Wassers und Anwendungen

Wie man das p-T-Diagramm des Wassers liest, warum seine Schmelzkurve …

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Mehrphasensysteme

Phasen, Komponenten und thermodynamische Systeme

Wie man Phasen und Komponenten eines Systems sicher zählt und …

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Phasengleichgewichte und Gibbs’sche Phasenregel

Die Gibbs’sche Phasenregel sagt, wie viele Zustandsgrößen in einem Phasengleichgewicht …

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Ideale Mischungen und Raoult’sches Gesetz

Wie sich Partialdrücke und Gesamtdampfdruck über einer idealen Zweistoffmischung nach …

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Destillation und azeotrope Gemische

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Dampfdruckerniedrigung und kolligative Eigenschaften

Warum gelöste Stoffe den Dampfdruck eines Lösungsmittels senken, wie man …

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Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung und Molmassenbestimmung

Wie gelöste Teilchen den Siedepunkt anheben und den Gefrierpunkt senken …

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Osmose und Pfeffer’sche Zelle

Wie Lösungsmittel durch eine halbdurchlässige Wand in eine Lösung strömt …

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Van ’t Hoff’sches Gesetz des osmotischen Drucks

Wie man den osmotischen Druck verdünnter Lösungen aus Konzentration, Teilchenzahl …

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Schmelzdiagramme binärer Systeme

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Diffusion und Verteilung

Diffusion: Prinzip, Einflussgrößen und Endzustand

Wie die ungeordnete Wärmebewegung von Teilchen Konzentrationsunterschiede ausgleicht, wovon ihr …

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Fick’sche Gesetze und Diffusionskoeffizient

Das 1. Fick’sche Gesetz verknüpft den Diffusionsstrom mit dem Konzentrationsgradienten …

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Membrantransport, osmotische Pumpe und Lösungsgeschwindigkeit

Wie Stoffe Schicht für Schicht durch Membranen diffundieren, warum eine …

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