4.1.2. Energie

Energie ist ein sehr grundlegender Begriff, und das ist es, was Schwierigkeiten macht, ihn zu definieren. Man kann ihn nicht definieren, indem man ihn auf allgemeinere Begriffe zurückführt.

Seilbahn

Bild 1 : Elektrische Energie wird in potentielle, kinetische und Wärmeenergie umgewandelt.

Deshalb hilft man sich oft, indem man verschiedene Arten oder Formen von Energie aufzählt. Potentielle und kinetische Energie sind meist die ersten, die man in der Schule kennenlernt. Später kommen elektrische Energie und Kernenergie dazu, vielleicht auch chemische Energie. Aber diese Zusammenstellung erscheint willkürlich, und sicher ist sie nicht vollständig. Man kann auf diese Weise nicht sagen, was Energie eigentlich ist.

Die 2 folgenden Regeln sind Daumenregeln. Ganz sicher definieren sie nicht den Begriff der Energie, schon gar nicht exakt. Manche werden den Kopf schütteln und sagen, so ein Unsinn. Aber sie fördern das Verständnis.

4.1.2.1. Äußere und innere Energie

In diesem und einer Reihe der folgenden Abschnitte geht es um die Energie, die ein geschlossenes System besitzt. Der Grund ist, dass solche Systeme am häufigsten untersucht wurden und bei der Beschreibung vieler, besonders dynamischer, Vorgänge eine bedeutende Rolle spielen.

Es hat sich als sinnvoll herausgestellt, diese Energie in 2 Kategorien zu unterteilen, die äußere Energie und die innere Energie.

4.1.2.2. Die äußere Energie

Jedes System steht in einer Beziehung zu seiner Umgebung. Zum Beispiel befindet es sich an einem bestimmten Ort. Führt man dem System potentielle Energie zu, ändert es seinen Ort. Im Schwerefeld der Erde nimmt es einen neuen, höher gelegenen Ort an. Außerdem hat es, relativ zu seiner Umgebung, eine bestimmte Geschwindigkeit (die auch Null sein kann, dann ist das System in Ruhe). Um diese Geschwindigkeit zu vergrößern oder zu verringern, muss man dem System kinetische Energie zuführen, oder es gibt kinetische Energie ab.

Diese beiden Energieformen ändern die Beziehung des Systems zu seiner Umgebung. Das System selbst ändern sie nicht, jedenfalls nicht direkt. (Wenn Sie eine Porzellanvase herunterfallen lassen, ist die Zerstörung eine Folge der Umwandlung von kinetischer Energie in andere Energieformen.) Potentielle und kinetische Energie ändern also nur die Beziehung des Systems zu seiner „Außenwelt” (der Umgebung).

Man nennt die beiden daher die äußere Energie des Systems.

In einem geschlossenen System gilt :
xxxxxx äußere Energie : potentielle und kinetische Energie
xxxxxx innere Energie : alles andere

4.1.2.3. Die innere Energie

Die Definition der inneren Energie eines geschlossenen Systems ist nun einfach. Die Energie, die das System besitzt und die nicht äußere Energie ist, gehört zur inneren Energie.

Hat ein System mehr oder weniger innere Energie als ein anderes, so sind die inneren Zustände der beiden Systeme unterschiedlich. Führt man einem System innere Energie zu oder gibt es sie ab, so ändert sich sein innerer Zustand.

In der Physik spielt die innere Energie eine wichtige Rolle. Daher bekommt sie ein eigenes Formelzeichen. Es heißt U.

Das bisher Gesagte hört sich vage und allgemein an, und es stellt sich die Frage, was denn hinter dieser inneren Energie wohl steckt. Was versteht man eigentlich unter dem inneren Zustand eines Systems ? Und wie ändert er sich, wenn man Energie zuführt ? Was für Vorgänge laufen im Innern des Systems ab, wenn sich seine innere Energie ändert ? Ist es Materie (Teilchen), an der sich etwas ändert, oder ist es etwas anderes ?

Anders als in der Anfangszeit der Thermodynamik kann man diese Fragen heute beantworten, und die Antworten sind einfach zu verstehen. Jedoch liegen sie jenseits des Gebiets der Thermodynamik.

Beiträge zur inneren Energie

Es gibt viele Energieformen, die einen Beitrag zur inneren Energie eines Systems leisten. Im folgenden zähle ich einige auf. Je nachdem, unter welchem Aspekt man ein System betrachtet, erkennt man verschiedene Erscheinungen, die einen Beitrag zur Energie leisten, und gibt ihnen verschiedene Bezeichnungen. Daher sind Überschneidungen nicht nur möglich, sondern wahrscheinlich.

Wassermolekül führt Translation aus.

Bild 2 : Ein Wassermolekül bewegt sich als Ganzes. Es führt eine Translation aus.

 

Wassermolekül rotiert.

Bild 3 : Ein Wassermolekül dreht sich wie ein Kreisel.

 

Schwingungen im Wassermolekül

Bild 4 : Streckschwingungen (oben) und Biegeschwingungen (unten) an einem Wassermolekül.

Translation – Ein wichtiger Beitrag kommt von der kinetischen Energie der kleinsten Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle). Die kleinsten Teilchen können sich auf unterschiedliche Weise bewegen. Eine Möglichkeit ist, dass sie sich (geradlinig in eine bestimmte Richtung oder auch ständig in andere Richtungen wechselnd) von einem Ort zu einem anderen bewegen, etwa so wie sich ein Auto normalerweise bewegt, oder wie sich ein fallendes Blatt bewegt. Diese Bewegungen heißen Translationen, und die kinetische Energie, die ein Gegenstand bei einer Translation besitzt, heißt Translationsenergie. Bild 2 zeigt ein Wassermolekül, das sich als Ganzes nach rechts oben bewegt.

Rotation – Die kleinsten Teilchen können nicht nur Translationen ausführen, sie können auch rotieren. Denken Sie an einen rollenden Fußball, eine Billardkugel, die man mit Effet (Drall) spielt oder einen Kinderkreisel. Die (kinetische) Energie, die die kleinsten Teilchen bei der Rotation (zusätzlich zur Translationsenergie) besitzen, heißt Rotationsenergie. Bild 3 zeigt dasselbe Molekül wie in Bild 2 . Nun jedoch rotiert es.

Schwingungen – Moleküle können nicht nur Translationen und Rotationen, sondern auch Schwingungen ausführen. Sie sollten dabei weniger an das Hin–und–Her–Schwingen des gesamten Moleküls (vergleichbar dem Schwingen des Pendels einer altertümlichen Uhr) denken. Vielmehr ändern die einzelnen Atome eines Moleküls ihre gegenseitige Lage in periodisch wiederkehrender Art. Man kann es mit den Bewegungen des menschlichen Herzens beim Pumpen vergleichen. Die (kinetische) Energie, die die Moleküle bei Schwingungen (zusätzlich zur Translations– und Rotationsenergie) besitzen, heißt Schwingungsenergie.

Schwingungen treten in vielen Formen auf.

Eine der einfachsten sind Streckschwingungen. Dabei wird eine Bindung periodisch länger und wieder kürzer, etwa so wie das Seil eines Bungee–Jumpers länger und kürzer wird. Bild 4 (oben) zeigt am Beispiel eines Wassermoleküls, wie sich die beiden Wasserstoffatome bei einer solchen Streckschwingung bewegen.

Eine andere Form sind Biegeschwingungen. Stellen Sie sich einen Mensch vor, der erst seine Arme herunter hängen lässt, sie dann ausstreckt, um auf etwas zu zeigen, wieder herunter hängen lässt, und immer so weiter. Die Arme führen Biegeschwingungen aus. Bild 4 (unten) zeigt den analogen Vorgang bei einem Wassermolekül – die beiden Wasserstoffatome bewegen sich periodisch auseinander und wieder zusammen.

Bild 5 : Inversion an einem Ammoniakmolekül. Das Stickstoffatom schwingt durch die Ebene der Wasserstoffatome hindurch.

Das Wassermolekül ist ein sehr einfach gebautes Molekül und kann daher nur wenige, einfache Schwingungen ausführen. Komplexere Moleküle zeigen komplexere Schwingungen. Betrachten Sie zum Beispiel ein Ammoniakmolekül. Zum einen können dort Streck– und Biegeschwingungen wie in Bild 4 auftreten. Zusätzlich können weitere Schwingungen stattfinden. Bild 5 zeigt die Inversion des Ammoniakmoleküls. Die 3 Wasserstoffatome bleiben relativ zueinander in Ruhe, während das Stickstoffatom (blau gezeichnet) durch die Ebene der Wasserstoffatome hindurch schwingt. Es ist also abwechselnd oberhalb und unterhalb der Ebene, so wie die Füße eines Trampolinspringers sich mal oberhalb, mal unterhalb der Aufhängung des Trampolins befinden. Man nennt diese Schwingung die Inversion des Ammoniakmoleküls.

Je nachdem, wieviel Energie dem Molekül zugeführt wurde, kann die Inversion (wie alle anderen Schwingungen auch) stärker oder schwächer ausfallen. Bild 5 zeigt 2 unterschiedlich starke Inversionsschwingungen.

Noch komplexere Moleküle können noch viele weitere, komplexe Schwingungen ausführen.

Im weiteren Verlauf des Buches werde ich noch mehrfach auf Molekülschwingungen zurückkommen. Der Grund ist, dass man einem Molekül Energie zuführen muss, damit es Schwingungen ausführt (man sagt, die Schwingungen werden angeregt), genauso wie man einem Gegenstand aus der Alltagswelt Energie zuführen muss, damit er schwingt. Viele Schwingungen brauchen viel Energie, oder anders herum gesagt, ein großes, komplexes Molekül kann durch Anregung von Schwingungen viel Energie aufnehmen und speichern.

Verformungen von Molekülen – Führt man Molekülen (insbesondere solchen, die aus mehr als einer Handvoll Atome bestehen) Energie zu, können sie sich verformen. Damit ist gemeint, dass sich die relativen Positionen der Atome verändern.

Es kann sein, dass diese Veränderung nur von sehr kurzer Dauer ist und das Molekül von selbst wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Dann liegt eine der Schwingungen aus dem vorigen Abschnitt vor.

Es kann aber auch sein, dass die Veränderung über einen längeren Zeitraum bestehen bleibt. Mit den Worten „längerer Zeitraum” meint man in der Chemie Zeiträume, die vom Millisekundenbereich (gerade lang genug, um die Veränderung nachzuweisen) bis in den Bereich von Tagen und Jahren (lang genug, um die veränderten Moleküle in eine Flasche zu füllen und den KollegInnen zu zeigen) reichen. Solche veränderten Formen nennt man Konformere oder Isomere. Mehr zu diesen Begriffen erfahren Sie demnächst in den Kapiteln 6.2. (Konformationen) und 6.3. (Isomerie).

Was bedeutet das für das System ? Sein innerer Zustand hat sich geändert, und seine innere Energie ist größer oder kleiner geworden. Bei Veränderungen, die länger bestehen bleiben, sagt man oft, das System hat Energie gespeichert.

Cyclohexan–Molekül in der Sesselform. Cyclohexan–Molekül in der Wannenform.

Bild 6 : Cyclohexan, oben in der Sesselform, unten in der energiereicheren Wannenform.

Bild 6 zeigt ein Beispiel. Das Cyclohexan–Molekül ist oben in der Sesselform zu sehen. Nachdem ihm Energie zugeführt wurde, hat sich seine Form verändert. Das im Bild rechte Kohlenstoffatom ist „umgeklappt”. Die entstandene Wannenform (unten) ist energiereicher. Mehr über die Konformeren von Cyclohexan und über die Frage, warum die Wannenform energiereicher als die Sesselform ist, können Sie bald in Kapitel xx nachlesen.

Elektronen und Bindungsenergie – Die Elektronen der kleinsten Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) halten sich in bestimmten Gebieten auf, die man Orbitale nennt (mehr zum Orbitalmodell bei Atomen in Kapitel 3.5.8. und zum Orbitalmodell bei Molekülen in Kapitel 3.6.3.). Elektronen, die sich in unterschiedlichen Orbitalen befinden, haben in der Regel unterschiedliche Energie.

Immer, wenn eine chemische Reaktion stattfindet, werden andere Orbitale gebildet, und die Elektronen befinden sich in den Produkten in anderen Orbitalen mit anderer Energie als in den Edukten (Ausgangsstoffen). Führt man also einem geschlossenen System Energie zu, und läuft aufgrund dieser Energiezufuhr eine chemische Reaktion ab, so ändert sich der innere Zustand des Systems in Bezug auf das Energieniveau der beteiligten Elektronen.

Die Beschreibung eben war in den Worten der Physik gesagt. Chemikerinnen und Chemiker würden denselben Vorgang so beschreiben : Bei der Reaktion wurden Bindungen gespalten und neue Bindungen geknüpft (geschaffen). Die neuen Bindungen haben eine andere (höhere oder niedrigere) Energie als die alten. Die Energie der Bindung (der Elektronen in ihren Orbitalen) heißt Bindungsenergie.

Die chemische Ausdrucksweise ist geschickt, denn man erkennt schnell, dass das eben Gesagte auch für alle anderen Vorgänge gilt, bei denen Bindungen gelöst oder neu gebildet werden. Dazu gehören zum Beispiel Lösungsvorgänge oder die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen (Schmelzen, Verdampfen, usw.). Auch hier leistet die Bindungsenergie einen Beitrag zur inneren Energie.

Gitterenergie – Die Gitterenergie gibt an, wieviel Energie benötigt wird, um die Teilchen eines Kristallgitters (Atome, Ionen, Moleküle) in einen unendlichen Abstand voneinander zu befördern. Da das so niemand macht, könnte man sie als reine Rechengröße ansehen. Andererseits kann man sie als Summe messbarer Energien auffassen. Dazu gehören Schmelz–, Verdampfungs– und Sublimationswärme, Ionisierungsenergie und einige andere. Führt man einem geschlossenen System Energie zu, und laufen als Folge dessen Vorgänge ab, die das Kristallgitter verändern, ist das eine Änderung des inneren Zustands des Systems. Die Gitterenergie ist Teil der inneren Energie.

weitere Energieformen – Systeme können sehr vielfältig aufgebaut sein, und Energiezufuhr kann sehr vielfältige Auswirkungen auf ihren inneren Zustand haben. Für die Struktur der Stoffe sind nicht alle Energieformen wichtig. Deshalb blende ich den Rest aus, zu dem zum Beispiel die Kernenergie (Energie, die in den Protonen und Neutronen des Atomkerns gespeichert ist) zählt.

4.1.3. Energieaustausch

In diesem Abschnitt geht es wie im vorigen um geschlossene Systeme.

Im vorigen Abschnitt habe ich ein statisches Bild gezeichnet und über Energie gesprochen, die in einem System enthalten ist. Energie bleibt aber nicht endlos in einem System. Geschlossene Systeme können Energie abgeben oder aufnehmen. Um solchen Energieaustausch geht es jetzt.

Energieaustausch bei einem geschlossenem System

Bild 7 : Geschlossenes System und seine Möglichkeiten, Energie mit der Umgebung auszutauschen.

Ein System kann Energie auf 2 Arten aufnehmen. Es kann Wärme aufnehmen oder am System kann Arbeit geleistet werden. Die Aufnahme von Wärme ändert immer seine innere Energie. Arbeit kann die äußeren Koordinaten des Systems (und damit die äußere Energie) ändern. Das ist der Fall, wenn das System potentielle oder kinetische Energie aufnimmt. Arbeit kann auch den inneren Zustand des Systems (also seine innere Energie) ändern, zum Beispiel, wenn Volumenarbeit oder elektrische Arbeit geleistet wird.

Dasselbe gilt natürlich auch für die Abgabe von Energie. Bild 7 illustriert ein System und seine Möglichkeiten, Energie aufzunehmen oder abzugeben.

Betrachtet man den Unterschied ΔE im Energiegehalt des Systems vor der Energieaufnahme und danach, so kann man ihn in 3 Bestandteile aufspalten.

ΔE = Wa + W + Q __________ Gleichung 4.1.

Dabei ist

Für alle folgenden Betrachtungen ist es unwichtig, ob das System auf dem Tisch oder auf dem Boden steht, oder ob es um den Mond kreist. Es wird also nicht um die äußere, sondern nur noch um die innere Energie gehen.

Lässt man in Gleichung 4.1. die äußere Energie weg, so erhält man auf der linken Seite statt der Änderung der gesamten Energie (ΔE) die Änderung der inneren Energie, die man folgerichtig mit ΔU bezeichnet. Auf der rechten Seite fällt Wa weg. Es ergibt sich

ΔU = W + Q __________ Gleichung 4.2.

 

 

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