Kapitel IV Wärmelehre und Thermodynamik Ziel: Literatur

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Kapitel IV
Wärmelehre und Thermodynamik
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Definitionen
Temperatur
Wärme und Wärmekapazität
Das ideale Gas - makroskopisch
Das reale Gas / Phasenübergänge
Das ideale Gas – mikroskopisch
Hauptsätze und Kreisprozesse
Dampfdruck, Diffusion, Osmose
Wärmeübertragung – Strahlung, Leitung,
Konvektion
Literatur
•
•
•
•
Gerthsen
Demtröder I
(Bergmann-Schäfer I)
Atkins, The Second Law (Scientific
American)
• Atkins Physikalische Chemie
• Mortimer Physical Chemistry
Grundlegende Erkenntnis:
alle Materie ist aus Molekülen bzw. Atomen
aufgebaut, die sich in ständiger,
ungeordneter Bewegung befinden
ÆBrown‘sche Molekularbewegung, 1825
Erklärung: Einstein 1905
1 cm³ Luft ... 2.5 1019 Moleküle (20°C, 1 bar)
1 cm³ Festkörper: 1000 – 4000 mal mehr
Ziel:
•
•
•
•
Verständnis der Grundlagen
Temperaturmessung
Phasenübergänge und ihre Bedeutung
Mikroskopische / makroskopische
Betrachtung
• Grundlage von Kreisprozessen
• Transport von Wärme und / oder Materie
Wärmelehre
historisch „alt“
17. – 19. Jhd.
makroskopische
Messgrößen
T, V, p, Rspez
Wärmemenge Q
alt: Kalorie
Thermodynamik
historisch „jung“
1870, allg. 20. Jhd.
mikroskopische Größen
k, NA, R
Innere Energie E ∝ k T
Einheit: J
1 cal = 4.187 J
„mechanisches Wärmeäquivalent“
Wärmelehre
Beschreibung
„von oben her“
Ohne Moleküle
Thermodynamik
„von unten her“
mit Molekülen
statistische Physik
Hier in VL: immer „Molekül“ als Begriff für die
kleinste Einheit
1
a) Definitionen
• Stoffmenge n;SI Grundgröße [n] = kmol
enthält so viele Teilchen, wie Atome in
12 kg 12C enthalten sind
6.022 1026 (Achtung! Mol,
NA, L
mol, kmol)
Molvolumen: [Vm] = m³/kmol
Molare Masse, „Molekulargewicht“ [M] =
kg/kmol
• Temperatur T; SI Grundgröße, [T] = K
1 K ist der 273.16-te Teil der
thermodynamischen Temperatur des
Tripelpunkts des Wassers
(T=273.16 K, p=611,657 Pa)
Absoluter Nullpunkt: - 273.15 °C
0-ter Hauptsatz der Thermodynamik:
„es gibt Temperatur“
Nullter Hauptsatz:
„es gibt eine skalare kontinuierliche
Eigenschaft, die es erlaubt, das
thermodynamische Gleichgewicht
festzustellen. Diese Größe heißt
Temperatur“
„steht ein System A mit einem System B im
TD Gleichgewicht, und steht das System B
mit dem System C im TD Gleichgewicht,
dann steht auch d. S. A mit dem S. C im TD
Gleichgewicht“
• System
– Grenze – Inneres – Äußeres
– geschlossen: kein Materiefluss,
Energie und/oder Information
möglich
– abgeschlossen: kein Fluss jeglicher Art
– offen: alles möglich
– adiabatisch: kein Wärmefluss
– anergisch: kein Fluss von Arbeit
• Eigenschaften
– Intern
– Extern
– Intensiv: bleiben bei Teilung des Systems
gleich (z. B. Druck p, Temperatur T)
– Extensiv: ändern sich bei Teilung des
Systems (z.B. Volumen V, Molzahl n,
Masse m, Entropie S, innere Energie U)
• Gleichgewicht
– Relativ
– Dynamisch (z. B. Phasengleichgewichte,
Verdunstungsgleichgewicht bei
Sättigungsdampfdruck
extensive Größen sind additiv
• Prozess
Æ etwas, das das System verändert
interessant: NurVeränderungen
Bezeichnung: d, Δ, δ
2
• Zustand
– Zustandsgrößen beschreiben System
eindeutig
Messgrößen T, p, V
– Zustandsfunktionen: Kombination von 2
Zustandsgrößen (dabei: Masse, Molzahl)
z. B. innere Energie U, Enthalpie H,
Entropie S
1
U ∝ kT; S ∝
T
• Thermodynamische Potentiale
Trennung von Zustandsfunktionen nicht
exakt, bestehen aus Zustandsgrößen und
Zustandsfunktionen
f
U = N kT
2
H = U + pV
G = H − TS
F = U − TS
Innere Energie, [U] = J
Enthalpie, [H] = J
Freie Enthalpie (Gibbs)
[G] = J
Freie Energie (Helmholtz)
[G] = J
• Änderungen von Zustandsgrößen
– Endzustand nicht abhängig von Weg, auf
dem Zustand erreicht wird
– Beschreibung: totale Differentiale
z. B. dH = dU + p dV + V dp
• Arbeit W
2
Keine Zustandsgröße, W = ∫ p dV
1
Wird vom / am System geleistet
Änderungszeichen δ, nicht d
Vorzeichenkonvention je nach Buch
• Arbeit W, [W] = Nm (oder J)
ist Energie der gerichteten Bewegung
(System als Ganzes in Bewegung)
b) Temperatur / T-Messung
ii) Messung von Temperatur / Thermometer
i) Temperaturskalen
alle: Fixpunkte, dazwischen lineare Skala
Celsius: 0°C .... Eis/Wasser, 1030 hPa
100°C ... Kochendes Wasser, 1030 hPa
Fahrenheit: 0°F .... NaCl/Eis, -18°C
100°F ... Menschl. Körper 37.7°C
T°C = (T°F – 32)*5/9 ≈ (T°F – 30) / 2
T°F = (T°C + 32)*9/5
Kelvin: absolute T, 0K=-273.15°C
Physik: T immer in K! (außer: ΔT)
• Wärme Q, [Q] = J
– Entspricht der Energie der ungeordneten
(thermischen) Molekülbewegung
– Ist Form von Energie, die bei Vorliegen
eines Temperaturgradienten transportiert
wird ohne dass mechanische Arbeit
geleistet wird
Brauche Größe, die sich proportional zur
Temperatur ändert, quantitative Messung
direkte / indirekte Messmethoden
z.B. Länge, Volumen, elektrischer
Widerstand, Strahlungsleistung, ……
3
Bimetallthermometer
• Längenausdehnung
l(ϑ) = l 0 (1 + α ⋅ Δϑ)
Cu
α … linearer Ausdehungskoeffizient
ϑ … Temperatur in °C
l … Länge
Ausdehnung von Festkörpern
z. B. Cu: α = 16.7 10−6 /Κ
Fe: α = 12 10−6 /Κ
Al: α = 23.8 10−6 /Κ
Al
Rücken an Rücken verschweißt
spiralig aufgewickelt
bis 1% von Skalenbereich genau
Verwendung: Außenthermometer
Thermostatschalter
in Leistungsschutzschalter
• Volumsausdehnung
V(ϑ) = V0 (1 + α ⋅ ϑ)
V … Volumen
α … Volumsausdehnungskoeffizient
ϑ … Temperatur in °C
Flüssigkeitsthermometer
bis auf ± 0.01°C genau
Thermometerkorrektur
Flüssigkeit je nach Temperaturbereich
Flüss.
α
Hg
18.2 10-5
-38°C ....
+300°C
Alkohol 14.3 10-5
-100°C ...
+70°C
Pentan
-190°C ...
+35°C
/K
15.8 10-5
Bereich
• Messung über elektrischen Widerstand
R(θ) = R(0°C) (1+βθ) θ Temperatur °C
β 1/200 ... 1/300 /K
metallische Leiter: R ↑ wenn T ↑
z. B. Pt-100: 100 Ω bei 0°C
Halbleiter: R ↓ wenn T ↑ (NTC-Leiter)
• Thermoelement / thermoelektrischer Effekt
thermoelektrische Spannungsreihe
4
•
Thermoelement / Thermoelektrischer
Effekt
Beruht auf Kontaktelektrizität und
Thermodiffusion
Zwei Lötstellen „verkehrt“ geschaltet Æ
keine Spannung zwischen freien Enden
(Spannungen der Kontaktstellen heben
sich weg)
www.physik.uni-wuerzburg.de
Aber: Kontaktspannung Funktion der
Temperatur, bei Temperaturunterschied
zwischen Lötstellen Spannung zwischen
freien Enden Æ Thermospannung ΔU
proportional zu ΔT
Anwendung:
• Thermoelement zur Messung von
Temperatur
eine Lötstelle auf bekannter T, aus ΔU Æ Tx
cgi.ebay.at
z. B. Ni-Cr
Cu-Konstantan
Typ. Thermospannungen:
10-5 V/K
Messbereich: -270 – 3000°C je nach Material
Thermoelement wichtiges Thermometer,
klein, gr. T-Bereich, spricht schnell an,
kleine Wärmekapazität
• Bolometer
– Misst Strahlungsleistung
E = σT4 (Stefan – Boltzmann Gesetz)
• Thermosäule
– Misst Strahlungsleistung
E = σT4 (Stefan – Boltzmann Gesetz)
• Spektralanalyse
− λmaxT = 2.9 10-3 K.m (Wien‘sches
Verschiebungsgesetz)
• Thermochromfarben
leifi.physik.uni-muenchen.de
5
c) Wärme, Wärmekapazität
www.printcolor.ch
www.ais-online.de
i) Wärmekapazität
Menge an Wärme(energie), die nötig ist,
um 1 kg (1 kmol) eines Stoffes um 1 K
zu erwärmen
Druck p = const: cp
Volumen V = const: cV
(Labor: fast immer p = const)
ΔQ
ΔQ
cp =
bzw. c p,mol =
m ΔT
n ΔT
[cp] = J / (kg K)
[cp,mol] = J / (kmol K)
ΔQ Wärmemenge
m Masse
ΔT Temperaturänderung
n
Molzahl
cp,mol molare spez.Wärmekap.
ii) Messung von Wärmekapazität
Kalorimeter
besteht aus: Dewar-Gefäß
Thermometer
Mögl. der Wärmezufuhr
Mischungskalorimeter
Temperaturänderung bei Mischung
Elektrisches Kalorimeter
Temperaturänderung bei elektr. Heizung
Bombenkalorimeter ÆVerbrennungswärmen
Chem. Kalorimeter Æ Reaktionswärmen
Wärme: kinetische Energie der ungeordneten
Molekülbewegung Æ mikroskopisch
Wärme: Energieform, die auf nicht
mechanischem Weg bei Vorliegen einer
Temperaturdifferenz ausgetauscht wird
Æ makroskopisch
Temperatur T ≠ Wärme Q!
T ist Messgröße (Grundgröße); [T] = K
Q ist Energieform, [Q] = J
Immer: cp > cv
konst. Druck: Ausdehnungsarbeit
Werte für cp:
Wasser 4187 J/(kg K)
Eis
2303
Luft
1000
Cu
377
Boden
800
org. Mat. 1900
1m³ Wasser: 4 MJ/K
1m³ Luft:
1.2 kJ/K
Mischungskalorimeter:
Σ(ΔQvorher) = Σ(ΔQnachher)
Für alle:
T muss sehr genau gemessen werden
Kalorimeterkorrektur
Wärmeverluste / Wärmetransport
6
iii) Mechanisches Wärmeäquivalent
Kw =
zugeführteWärme
geleisteteArbeit
ΔW = m.g.Δh
ΔQ = cp.m.ΔΤ
www.dr-matthes-haug.de
Kw =
ΔQ m ⋅ c p ⋅ ΔT
=
= 0.238846 cal / J
ΔW m ⋅ g ⋅ Δh
1 cal = 4.185 J
d) Das ideale Gas – makroskopisch
• Beschreibung mit Zustandsgrößen p, V, T
• Brauchen trotzdem n, R dazu
Æ Immer auch Mikroskopische Argumente
dazunehmen
Elektrisch: 1 J = 1 Ws
P.t = U.I.t
Annahmen aus mikroskopischer Betrachtung:
• Moleküle sind Massenpunkte
Eigenvolumen = 0
• Nur elastische Stöße
keine Kräfte („Wechselwirkungen“)
zwischen Molekülen
(passt gut „weit weg vom Phasenübergang“)
Statistische Thermodynamik (später):
kinetische Energie der Moleküle Æ T
(Temperatur)
Stöße auf Wand Æ p (Druck)
Gay-Lussac anders:
p(θ) = p0 (1+αθ), θ in °C; V = const
Messung: α = 1/273.15 /°C
p Æ 0 bei θ Æ - 273.15°C
Charles anders:
V(θ) = V0 (1+αθ), θ in °C; p = const
Messung: α = 1/273.15 /°C
V Æ 0 bei θ Æ - 273.15°C
i) Gasgesetze historisch:
Boyle-Mariotte‘sches Gesetz
p V = const
bei T = const
Gay – Lussac‘sches Gesetz
p/T = const
bei V = const
Charles (manchmal: anderes Gay-Lussac)
V/T = const
bei p = const
(Hinweis auf absoluten Nullpunkt)
alle sind Sonderformen der idealen Gasgleichung
ii) Zustandsgleichung / ideale Gasgleichung
makroskopische Beschreibung
pV = nRT
R = 8.31 kJ/(kmol K)
universelle Gaskonstante
(früher: spezifische - " –
für jedes Gas extra)
T immer in K !!
7
iii) Zustandsdiagramme
p – V Diagramm, T = const. (Isotherme)
V – T Diagramm, p = const. (Isobare)
p – T Diagramm, V = const. (Isochore)
jeder Punkt im Diagramm beschreibt Zustand
p, V, T Zustandsgrößen
„Weg“ im Diagramm: Zustandsänderung
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/kinetic/imgkin/pvtgas.gif
iv) Adiabatengleichung
adiabatische Zustandsänderung
dQ = 0; d. h. kein Wärmeaustausch über
Systemgrenze
bei Expansion: Gas muss Ausdehnungsarbeit leisten, Energie dazu aus
kinetischer Energie des Gases
Æ T sinkt
Æ Adiabaten im p-V Diagramm steiler
als Isothermen
http://www.chemistrydaily.com/chemistry/upload/thumb/e/ec/341px-Adiabatic.png
• Adiabatengleichung
κ
pV = const
κ Adiabatenkoeffizient
κ=
cp
cv
Luft: κ = 1.4
wieso: makroskopisch nicht zu erklären
Andere Formen der Adiabatengleichung:
Einsetzen aus idealer Gasgleichung
p∝
T
V
TV κ −1 = const
V∝
T
p
p Druck
V Volumen
T Temperatur
T κ p1− κ = const
8
i) Van der Waalsgleichung / Zustandsgleichung
e) Reales Gas - Phasenübergänge
• Ideal:
• Real:
Moleküle sind Massenpunkte
keine Wechselwirkungskräfte
Moleküle haben Eigenvolumen
Wechselwirkungskräfte zwischen
Molekülen Æ van der Waals Kräfte
ideales Gas: immer Gas
reales Gas: Phasenübergänge
Ideal:
p
Real:
(p +
Vm
a
2
Vm
p
Vm
a/Vm²
b
= RT
)(Vm − b) = RT
Druck
Molvolumen
Binnendruck
Kovolumen
a, b abhängig von Gas
Phasenübergang bei realem Gas möglich
z. B. Gas Æ Flüssigkeit
Flüssigkeit Æ Gas
i) p – V Zustandsdiagramm
Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen:
van der Waalskräfte
anziehend, sehr kleine Reichweite
Kritischer Punkt:
Dichte der Flüssigkeit
= Dichte von Gas
Æ Nicht unterscheidbar
Aber: bei sehr kleinen Distanzen starke
Abstoßung
ÆLenard-Jones Potential
Æ(siehe Oberflächenspannung)
http://smirnov.mae.wvu.edu/courses/mae320/figs/F3-1.jpg
ii) Phasendiagramm
ÆKein Zustandsdiagramm!!!!
Achtung: Aggregatzustand ≠ thermodynamischer Zustand
fest, flüssig, gasf.
Gegeben durch p, V, T
Phasenübergangslinien: zwei Phasen im Gleichgewicht
Tripelpunkt: alle drei im Gleichgewicht
http://www.naturalsci.gardner-webb.edu/Faculty/vtotten/PChem/h2ophase.gif
9
Wasser:
krit. P.: 217 bar, 647 K
Tripelp.: 6.1 mbar, 0.0075 K
CO2
72.9 bar, 304.2 K
5.11 bar, 216.6 K
iii) Phasenübergang / Latente Wärme
makroskopisch:
Phasenübergang
T
Phasenübergang
festes Wasser wird bei hohem Druck wieder flüssig!
gasförmig
flüssig
fest
hochreines Wasser siedet bei > 100°C
(Siedeverzug Æ Achtung!)
hochreines Wasser gefriert bei < 0°C
(flüssigeWolkentröpfchen bis –40° möglich)
d. h.: Wärmezufuhr, T von Körper steigt
Phasenübergang: T steigt trotz
Wärmezufuhr nicht, bis alles
Material in andere Phase
übergegangen ist
Mikroskopisch:
zugeführte Energie führt zu T-Erhöhung
Phasenübergang: Energie wird zur
Überwindung der Gitterkräfte bzw. der
zwischenmolekularen Kräfte verwendet
Æ T steigt erst, wenn alle überwunden
Qs
Schmelzwärme
Qv
Q
Verdampfungswärme
Schmelzwärme Qs: Wärmemenge, die benötigt
wird, um 1 kg (oder kmol) zu schmelzen
Verdampfungswärme Qv: Wärmemenge, die
benötigt wird, um 1 kg (oder kmol) zu
verdampfen
Wasser: Qs= 335 kJ/kg
QV= 2260 kJ/kg
Werden bei Erstarren bzw. Kondensieren wieder
frei Æ Latente Wärmen („verborgen“)
(Achtung: eigentlich sind das Enthalpien)
z. B: Eiswürfelbad, Klimasystem, Schneeschmelze
f) Ideales Gas - mikroskopisch
i) Annahmen
• Schon gehabt:
– Massenpunkte ohne Eigenvolumen
– Nur elastische Stöße, keine Wechselwirkungen
• Jetzt dazu:
– Wände vollkommen elastisch, perfekte
Reflektoren
– Zeitliches Mittel für 1 Molekül = Scharmittel
(Mittel über alle zu best. Zeitpunkt)
„Ergodenhypothese“
– Orte und Geschwindigkeiten von Molekülen
nicht miteinander korreliert
Annahme des molekularen Chaos
– Alle Realisierungsmöglichkeiten von
makroskopischem Zustand sind gleich
wahrscheinlich
– Postulat der gleichen a-priori
Wahrscheinlichkeit
– Zeitumkehr????
10
Definition: Freiheitsgrad f
- ist Möglichkeit für Molekül, Energie
aufzunehmen
Einatomig: Translation, 3 Raumrichtungen
Æf=3
Zweiatomig: Translation + Rotation
Æf=3+2=5
Dreiatomig: Translation + Rotation + Vibration
Æ f = 3 + 2 +2 = 7
Mehratomig:
f=7
Festkörper:
Schwingung um Ruhelage
Æf=6
Druck (Grundgleichung von Bernoulli)
ii) Druck
Impulsübertrag auf Wand
Massenpunkte, f = 3
n = Zahl der Moleküle N pro Volumen V
Nur elastische Stöße
Æ Ableitung am OH
1
p = n ⋅ m ⋅ v2
3
....
....
....
2
p ⋅ V = N ⋅ E kin
3
v Geschwindigkeit eines Moleküls
v² gemittelt über viele Moleküle
n = N/V Anzahlkonzentration
m Masse eines Moleküls
Ekin mittlere kinetische Energie der
Moleküle
iii) Temperatur und innere Energie
ÆTemperatur T aus Molekularkinetik
Zustandsgleichung:
Æk = 1.38 10-23 J/K Boltzmannkonstante
pV=nRT
.
.
.
Ekin = 3/2 k T
ÆR = k NA = 8.31 kJ/kmol K universelle
Gaskonstante
p V = N R/NA T
mittlere kinetische Energie
11
Innere Energie U
Molekül war Massenpunkt, hatte 3
Freiheitsgrade
f=3
N Moleküle, jedes hat Ekin= f/2 kT
Alle zusammen:
ÆEkin= ½ k T
mittlere Energie pro
Freiheitsgrad
„Äquipartitionstheorem“
Æ T ist Maß für kinetische Energie der
Wärmebewegung
f
N⋅ k ⋅T = U
2
Æ U ist extensive Größe, ändert sich bei
Teilung des Systems
Erinnerung: Statistik, Messfehler
v) Maxwell – Boltzmann Verteilung
Geschwindigkeit eines Gasmoleküls?
mittlere Geschwindigkeit eines Kollektivs
von Gasmolekülen?
Mittelwert, Standardabweichung: Parameter der
Gaußverteilung
„Wahrscheinlichkeitsverteilung“
f(x): W., dass Wert von x in Intervall x+dx liegt
f (x) =
⎛ (x − x )2 ⎞
1
⎟
exp⎜ −
⎜
2π σ
2σ 2 ⎟⎠
⎝
∞
∫ f ( x ) dx = 1
x Mittelwert
σ S tan dardabweichung
−∞
f(x)
Maximum bei x
Symmetrisch um
x können <1 sein
Boltzmannverteilung
x
W, dass Wert innerhalb
x ± σ
x ± 2σ
x ± 3σ
x
68,24%
95,44%
99.57%
Ableitung aus barometrischer Höhenformel
Æ OH
hat im Exponenten Verhältnis von
potentieller Energie zu thermischer Energie
ohne thermische Bewegung: Gas fällt zu
Boden
Bild: http://www.unilim.fr/pages_perso/jean.debord/math/reglin/gauss.gif
12
Boltzmannverteilung
⎛ mgh ⎞
n (h ) = n 0 exp⎜ −
⎟
⎝ kT ⎠
Verteilung der Vertikalgeschw. vz
⎛ mv 2z ⎞
⎟⎟
f ( v z ) = const exp⎜⎜ −
⎝ 2kT ⎠
n Anzahlkonz. der Mol.
m Masse eines Mol.
g Schwerebeschleunigung
h Höhe
v Geschwindigkeit
vz Vertikalgeschwindigkeit
z Höhe
Maxwell´sche Geschwindigkeitsverteilung
Maxwellverteilung
3
⎛ mv 2 ⎞
⎛ m ⎞
2
f ( v) = ⎜
⎟ 4πv ⋅ exp⎜⎜ −
⎟⎟
⎝ 2πkT ⎠
⎝ 2kT ⎠
http://universe-review.ca/I13-23-BoltzmannEq4.jpg
niedrige Temperatur: relativ scharfes
Maximum, bei kl. Geschwindigkeiten
hohe Temperatur: flache Kurve, Maximum
bei größeren Geschwindigkeiten
Wichtig: auch bei niedriger T bestimmte
(kleine) Wahrscheinlichkeit, dass Molekül
große Geschwindigkeit (bzw. Energie) hat
3 verschiedene „mittlere Geschwindigkeiten“
vw =
v=
2kT
m
8kT
πm
v 2 = v rms =
• Luft: N2 + O2 , 300 K
vw wahrscheinlichste Geschw.
Mittlere Molekülgeschwindigkeit
3kT
m
Mittlere thermische Geschw.
„root mean square“ GEschwindigkeit
vi) Mittlere freie Weglänge
vw = 413 m/sek
v = 466 m/sek = 1.128 vw
v² = 505 m/sek = 1.225 vw
„Weg“ von Molekül
Schallgeschwindigkeit: 340 m/sek bei 20°C
Æ Kann nur mittleren Weg zwischen Stößen
angeben Æ mittlere freie Weglänge λ
13
Fluidmechanik: Fluid ist Kontinuum
„continuum regime“
Sehr kleiner Druck oder sehr kleine Teilchen
in Fluid:
„free molecule regime“
„Körnigkeit“ des Gases
Annahme:
bewegtes Molekül mit Radius r1
„ruhendes“ Molekül mit Radius r2
Stoßquerschnitt bzw. Wirkungsquerschnitt
σ = π (r1+r2)²
Kleiner Druck: 0.1 Pa (10-3 mbar)
www.pci.tu-bs.de
…. OH
1
λ=
nσ
λ=
1
2nσ
n Zahl der Moleküle / Volumen
σ Stoßquerschnitt
„Zielmolekül“ auch bewegt
ÆWurzel aus 2
Luft, 20°C:
λ = 0.066 µm
(Staubteilchen: d 1 nm ….. 10 µm)
λ primär unabhängig von T!
λ prop. 1/n prop. 1/p Æ λ.p = const
λ=
1
2
2nπd m
Alle Moleküle haben gleichen
Durchmesser dm
vi) Zähigkeit von Gasen
ÆImpulstransport
…. OH
η = 1/3.ρ.λ.v
• Gas:
Zähigkeit nur abhängig von molekularen
Konstanten und Temperatur
η ↑ wenn T ↑
η
ρ
v
λ
Zähigkeit
Dichte
mittl.Geschwindigkeit
mittl. freie Weglänge
• Flüssigkeit:
η ↑ wenn T↓
14
vii) Spezifische Wärmekapazität (molar)
cp,mol – cv, mol = R
R = k*NA
R = 8.31 kJ / (kmol*K) universelle
Gaskonstante
NA = 6.022 1026 /kmol Avogadrozahl
cp,mol, cv, mol spez. Wärmekap. bei konst.
Druck bzw. Volumen
cp,mol, cv, mol, R Æ makroskopische Größen
k, NA Æ mikroskopische Größen
vii) Spezifische Wärmekapazität
ideales Gas …. OH
V = const.
cv, mol = f/2 . R
p = const.
cp,mol = (f+2)/2 . R
Schon früher: cp > cv
cp,mol – cv, mol = R
R = k*NA
Adiabatenkoeffizient κ
κ=
cp
cv
=
f +2
f
Spezifische Wärmekapazität, Festkörper:
cv, mol = 25 kJ/(kmol K) = 3 R
Regel von Dulong und Petit
unabhängig vom Material
aber: bei (relativ) hohen Temperaturen
niedr. T: „eingefrorene
Freiheitsgrade“
schwere Elemente: recht gut ab
200K
Festkörper:
Für TÆ 0 K
viii) Dalton‘sches Gesetz
Für Gasmischungen
cv, mol ∼ T³
Jedes Gas allein Druck pi „Partialdruck“
Debye‘sches Gesetz
pges = Σ pi
(zur Vollständigkeit)
15
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