[Chemie] Thermodynamik - Der erste Hauptsatz

© Markus Wegner / pixelio.de

Die Thermodynamik ist ja ein Themengebiet der Chemie, das vielen Studenten Kopfzerbrechen bereitet, und leider auch vielen den Weg zum Bachelor, Master oder sonstigen Abschlüssen verwehrt. Was viele beim Studium der Chemie vergessen oder vor Antritt dieser ganz besonderen, manchmal lebenslangen Reise nicht wissen, ist, dass ein Chemiker relativ viel mit Mathematik, Physik und Logik konfrontiert wird.





Wer weiteres Geschwafel langweilig findet, der überspringt am besten die folgenden, eingerückten Zeilen.

Und die Thermodynamik nimmt gleich alle drei dieser außergewöhnlichen Teilgebiete und macht daraus eine für viele undurchsichtige Stoffsammlung aus Gleichungen, Herleitungen und Hauptsätzen.

Eines vielleicht noch vorweg, dieser Artikel ist als Ergänzung gedacht für einen Unterricht, nicht als Ersatz, also werde ich auch eher nicht bei "null" anfangen.

Wer ein Themengebiet der Chemie lernen und wirklich verstehen will, der wird wohl um Vorlesungen nicht herumkommen. Viele Bereiche sind einfach zu komplex, um sich das Wissen nur aus Büchern beizubringen, außerdem hat jeder Lehrer/Professor seine eigenen Schwerpunkte, Abkürzungen und Hilfestellungen, was dazu führt, dass man sich zum Studium der Chemie, bis hin zum Bachelor-Abschluss eigentlich keinerlei Bücher anschaffen muss, der Frontalunterricht zusammen mit begleitenden PDFs reicht normal aus um Prüfungen zu bestehen.

Naja, zumindest theoretisch, wird mir hier der ein oder andere sicher zustimmen. Es mag am Lehrer selbst liegen, der das Thema nicht ausreichend versteht, um es jemandem anderen beizubringen, oder andersherum, es gibt auch genügend Professoren, die schlicht und ergreifend zu "abgehoben", zu genial sind, um zu verstehen, wie viel Wissen ein Neuling in diesem Gebiet aufzunehmen versteht bzw. verstehen kann; oder .. und das ist wohl die bitterste Erkenntnis nach etlichen Semestern eines Studiums .. man ist einfach nicht geschaffen für diese Wissenschaft, die nach Medizin wohl eine der aufwändigsten ist und sicherlich nicht selten gute Freundschaften, viel Freizeit und auch Beziehungen gekostet hat.

Das Thema "Thermodynamik" gliedert sich übrigens oft in den Großbereich "Theorie Energetik" ein (siehe z.B. hier), zusammen mit Elektrochemie und Kinetik. Grob gesagt beschäftigt sich die Thermodynamik (abgekürzt TD) mit Gleichgewichten, die Kinetik eher mit dem zeitlichen Verlauf von Reaktionen.

Aber das 'heutige' Thema soll wie gesagt der erste Hauptsatz der Thermodynamik sein. 

Ganz vereinfacht sagt dieser: dU = dQ + dW.

In anderen Worten: die innere Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant (dQ und dW sind da nämlich null, da die "Wände" diese Energien nicht durchlassen. Was natürlich nur in einer Idealvorstellung ganz möglich ist.)

Nun, das ist leider nur die Spitze des Eisbergs, denn über etliche Überlegungen, Umstellungen und Herleitungen (die hier gottseidank nicht vorkommen) gelangt man außerdem zu folgenden wichtigen Beziehungen:

• Die Energie eines Systems ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten; die Energie, die in einem System steckt, wird als dessen innere Energie bezeichnet.

• Arbeit ist die Verwendung eben dieser Energie für eine Bewegung gegen eine bestimmte Kraft; eigentlich wird die Energie übertragen, aber das ist wenig anschaulich. Auch Wärme ist nichts als die Übertragung von Energie, nämlich Wärmeenergie, aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen einem System und dessen Umgebung.

• Wärmekapazitäten sind nicht erfunden, sondern schlicht und einfach definiert; Cv also zum Beispiel über Cv=(dU/dT)|v (das am Schluss bedeutet: konstantes Volumen V). Sie sind eigentlich schon temperaturabhängig, der Einfachheit halber aber oft als konstant angenommen. Was bei Rechnungen, bei denen Gase als ideal angenommen werden (was auch nie wirklich eintritt) nicht wirklich ins Gewicht fällt.

• Die Definitionen von Enthalpie, innerer Energie etc. sind sehr wichtige Definitionen und als Grundwissen eigentlich unbedingt notwendig. Wer diese nicht kennt, lädt sich dieses PDF herunter und schaut mal in den Unterpunkt 3.1; Diese kleine Formelsammlung ist für manchen bestimmt hilfreich. Beim Versuch, die Formeln anschaulich zu verstehen, wird man schnell scheitern, sind es doch oftmals mathematische Konstrukte und Umformungen des ersten Hauptsatzes, denen erst nachträglich ein Name ("Freie Energie" beispielsweise) zugewiesen wurde, der häufig aber nicht zum Verständnis beiträgt, im Gegenteil. So wie Wärme, Temperatur und Entropie sehr nah zusammenhängen und in vielen Bereichen sehr ähnliches umschreiben.

• Ein technisch interessanter Aspekt ist auch noch der Joule-Thompson-Effekt, der deim Linde-Verfahren ausgenutzt wird. Gas, das durch z.B. ein Drosselventil entspannt wird, kühlt sich unter bestimmten Bedingungen ab (ja nach Gas Umgebungstemperatur entscheidend). Den Effekt kennt man z.B. vom Deodorant, der Sprühnebel ist spürbar kälter als die Umgebungstemperatur. Dieses komplexe Thema ist ausnahmsweise sogar bei Wikipedia gut erklärt.