[Chemie] Exotherme Reaktionen, bei denen die Unordnung kleiner wird?

Guten Abend,

ich benötige noch ein bisschen Hilfe, um den folgenden Abschnitt zu verstehen.

Ich freue mich sehr auf eure hilfreichen Antworten.

Exotherme Reaktionen, bei
denen die Unordnung kleiner
wird, können nur stattfinden,
wenn das negative Produkt
aus Temperatur und
Entropieänderung einen
kleineren Wert als die
Enthalpieänderung hat, damit
ΔG noch negativ ist. also z.B.
ΔG = -5 - (-3) = - 2
Hier darf die Temperatur also
nicht zu hoch sein.      

Das verstehe ich leider noch überhaupt nicht. Hier sind im folgenden meine Gedanken dazu:

Ich stelle mir die Frage:
Wann können exotherme
Reaktionen, bei denen die
Unordnung kleiner wird,
stattfinden?

ΔG = ΔH - T * ΔS

  • ΔG = Gibbs‘sche Energie, Gibbs‘ freie Energie oder freie Enthalpie
  • ΔH = Änderung der Enthalpie
  • T = absolute Temperatur in Kelvin
  • ΔS = Änderung Entropie

ΔG = ΔH - T * ΔS

  • exotherme Reaktionen haben immer eine negative Änderung der Enthalpie, somit ist ΔH hier negativ
  • die absolute Temperatur in Kelvin ist immer positiv, somit ist T positiv
  • Die Änderung der Entropie (ΔS) ist hier negativ, da die Unordnung laut Frage kleiner wird

Somit:

ΔG = ΔH - T * ΔS

ΔG = negativ - positiv * negativ

= negativ - negativ

= negativ + positiv

🟩Folgendes gilt ja für die Gibbs-Helmholtz-Gleichung:

  • Wenn ΔG negativ ist, also < 0, so läuft die Reaktion spontan und freiwillig ab, dies nennt man exergon. Hier führt die Reaktion zu einem energetisch günstigeren Zustand.
  • Wenn ΔG positiv ist, also > 0, so läuft die Reaktion nicht freiwillig ab, sie müsste unter Energiezufuhr erzwungen werden, dies nennt man endergon. Hier führt die Reaktion zu einem energetisch ungünstigeren Zustand.🟩

Laut der Fragestellung (Wann können exotherme Reaktionen, bei denen die Unordnung kleiner wird, stattfinden?) muss die Reaktion ja endergon sein. Denn eine endergone Reaktion führt ja zu einem energetisch ungünstigeren Zustand. Und wenn die Unordnung kleiner wird, wird der Zustand ja energetisch ungünstiger.

  • Und wie oben genannt gilt für eine endergone Reaktion ja für ΔG > 0

Nun wieder zu der oben “hergeleiteten Formel“:

ΔG = ΔH - T * ΔS
ΔG = negativ - positiv * negativ
= negativ - negativ
= negativ + positiv

➡️Da ΔG > 0 sein muss, muss das Produkt aus Temperatur und Entropieänderung größer sein als der negative Wert der Enthalpieänderung.

⚠️Im Zitat oben steht es aber genau umgekehrt: Dass exotherme Reaktionen, bei denen die Unordnung kleiner wird, nur stattfinden können, wenn das negative Produkt aus Temperatur und Entropieänderung einen kleineren Wert als die Enthalpieänderung hat, damit ΔG noch negativ ist.

🤯Das verstehe ich leider noch gar nicht, wieso das so ist.

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Temperatur und Druckänderung bei Joule Expansion?

1 Mol eines idealen Gases befindet sich zunächst im Volumen V0 beim Druck pi und der Temperatur Ti , siehe Skizze (links). Nach dem Offnen des Ventils ströme das Gas von links in einen (zuvor evakuierten) Behälter gleichen Volumens V0 (Skizze rechts). Betrachten Sie die Joule-Expansion als rein gedankliches Konzept, wobei das System thermisch isoliert ist von der Umgebung und sich dessen Innere Energie nicht ändert: ∆U = 0

a) Welches sind die Temperatur Tf und der Druck pf , die sich nach dem Offnen des ¨ Ventils einstellen?

b) Gehe vn einer reversiblen isothermen Expansion aus und berechne die Entropie¨anderung ∆S.

(c) (1.) Wie kann man das Ergebnis aus (b) statistisch interpretieren?

(2.) Der Prozess ist (naturlich) nicht reversibel. Warum kann man trotzdem die ¨ Entropieänderung zwischen den Anfangs- und Endzuständen wie in (b) berechnen? (3.) Wie ändert sich bei diesem Prozess die Entropie des Universums?

Jensek81'scher Ansatz

a) pi VO = pf * V0

pi/Ti = Pf/ TV
Temperatur und Druck gleich wie VOrher

b) Delta S = n R ln (Vf / Vi) = nR ln (1) = 0

c) 1) Da Delta S = 0 -< keine Veränderung. Teilchen behalten ihre Anordnung bei.

2) Entropie Zustandsgröße nicht nur von Anfang und Ende abhängig

c) Entropie des Unviersum nimmt zu => Gesamtentropie nimmt nicht ab.

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Aufgabe zum Carnot-Zyklus?

Hallo, ich stehe vor folgender Aufgabe zum Carnot-Zyklus:

Für den Carnot-Zyklus werden folgende Größen definiert: Die Temperaturen des heißen und des kalten Wärmereservoirs (Th bzw. Tk), das Gasvolumen zu Beginn, Vi, und nach Abschluss des 1., 2. und 3. Schrittes, V´, V´´ bzw. V´´´, nach dem 4. Schritt ist wieder Vi erreicht. Im 1. Schritt wird eine isotherme Expansion des Gases bei Th vorgenommen und im 2. eine adiabatische, dabei wird Tk erreicht. Der 3. Schritt entspricht einer isothermen und der 4. Schritt einer adiabatischen Kompression, es wird wieder Th erreicht. Alle Schritte werden reversibel durchgeführt.

a) Berechne für das System (Gas) für jeden Schritt die Arbeit und die ausgetauschte Wärme.

b) Berechne für jeden Schritt auch dU und dS und zeige mathematisch, dass nach Abschluss eines Zyklus dU und dS jeweils gleich Null ist.

c) Zeige mathematisch, dass die Summe über w und q jeweils nicht gleich Null ist.

d) Berechne den Wirkungsgrad.

Zu a) stellt sich mir die Frage, ob ich angesichts der fehlenden Werte nur die Formeln jeweils herleiten soll, bei b) weiß ich gar nicht, wie ich die innere Energie U und die Entropie S berechnen soll; bei c) weiß ich ebenfalls nicht, wie ich w und q berechnen soll bzw was von mir verlangt wird und bei d) stören mich wieder die fehlenden Werte.

Kann mir hier vielleicht jemand einen Hinweis geben? Danke vielmals!

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Fragen zur TDS: Dissipative Strukturen, Entropiebegriff, Versagen der klassischen Physik?

Hallo! Ich habe heute eine anspruchsvolle Konversation über die Theorie Dissipativer Strukturen geführt, nach der in mir einige Fragen aufgekommen sind, die ich mir nicht so recht beantworten kann. Schon als ich den Begriff „Dissipative Struktur“ (im Sinne der Wikipedia-Definition) in den Raum warf wurde ich der Ahnungslosigkeit beschuldigt, mit der Aussage:

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Ich denke diese Aussage ist nicht korrekt, aber warum?

Die Diskussion setzte sich fort und wir kamen schließlich auf den Entropiebegriff zu sprechen, den mein Gegenüber als Maß der Unordnung verstand und mich dafür belächelte Entropie als Maß für D Dissipationsfähigkeit zu verstehen.

Worin liegt das Problem, Entropie als Maß für Unordnung zu definieren, wenn man sich fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht bewegt?

Schließlich kamen wir auch darauf zu sprechen, dass die klassische Physik Vorgänge außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichtes (insbesondere Leben) nicht erklären kann. Doch vielmehr wurde es zu einer Aussage, die ich getroffen, aber nicht belegen konnte. Der Standpunkt meines Gegenübers:

„Die Physikalischen Gesetze müssen auch fernab des Thermodynamischen Gleichgewichts gelten, sonst ist es keine Physik. Kannst du mir ein konkretes Beispiel für ein Versagen nennen?“

Und so meine Frage:

Wieso kann mit der klassischen Physik weder Selbstorganisation, Leben oder Bewusstsein erklärt werden? – Wieso versagt die klassische Physik fernab des thermodynamischen Gleichgewichts?

Zuletzt behauptete mein Gegenüber noch, dass die Fortschritte der Thermodynamik eben nicht durch die systemische Betrachtungsweise, sondern durch „genaue Analyse der Bewegung der Beteiligten Partikel-Statistische Mechanik (z.B Diffusionsgleichung)“ hervorgerufen wurden.

Ist das korrekt?

Ich würde mich über eure Antworten freuen, insbesondere über eine Antwort vom hamburger02, bei dem ich diese Theorie aufgeschnappt und verständlich aufbereitet bekommen habe.

Liebe Grüße Max

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Warum ist die Erdatmosphäre nicht voller Wasserstoff?

Der Weltraum ist ja nicht wirklich "leer", kein vollständiges Vakuum, sondern enthält Wasserstoffgas bei sehr geringem Druck. Die Erdatmosphäre enthält schwerere Elemente (hauptsächlich Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf), die gravitativ an den Planeten gebunden sind.

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Es wird also immer mal wieder vorkommen, dass Gasmoleküle die Erde verlassen und in den Weltraum entweichen. Umgekehrt wird Wasserstoff aus der Umgebung auch gravitativ an die Erde gebunden werden. Solange es keinen "Nachschub" an diesen "schweren" Gasmolekülen gibt, würde ich erwarten, dass langsam alle (halbwegs) "flüchtigen" Verbindungen (insbesondere alle Gase) durch Wasserstoff "ersetzt" werden. Warum passiert das nicht? Oder passiert es tatsächlich, ist aber ein viel zu langsamer Vorgang? Wie viel Stickstoff, Sauerstoff, ... "verliert" die Erde etwa pro Jahrtausend und wie viel Wasserstoff "fängt sie ein"? Wird irgendwann kein Leben mehr möglich sein, weil zu viel Sauerstoff durch Wasserstoff ersetzt wurde? Oder wird die Atmosphäre irgendwann "explodieren" durch den Wasserstoff, der in sie eindringt?

Erde, Gas, Atmosphäre, Diffusion, Entropie, Luft, Physik, Wasserstoff

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