Kapitel 4 : Werkzeug

Worum geht es ?

Handwerkerinnen und Handwerker legen erst ihr Werkzeug bereit, ehe sie mit der Arbeit beginnen. Genauso werde ich in diesem Kapitel Werkzeug bereitlegen, mit dem Sie die Struktur der Stoffe besser verstehen. Das Werkzeug, das hier gebraucht wird, heißt nicht Zange oder Schraubendreher, auch nicht Becherglas oder Bunsenbrenner. Es sind Ideen und Konzepte. Systeme und Phasen, Energie und Entropie gehören dazu, und ganz nebenbei werde ich eine erste Antwort auf die wichtigste Frage geben : Warum nimmt ein Stoff gerade die Struktur an, die er eben annimmt, und keine andere ?

Die wichtigste Frage auf diesen Seiten :
xxx Warum nimmt ein Stoff gerade die Struktur an, die er hat ?

 

Wasserfall, ein Symbol für Energie chemische Reaktion, ein Symbol für Enthalpie Muster im Watt, ein Symbol für Entropie

Bild 1 : Energie, Enthalpie und Entropie sind wichtige Konzepte der Thermodynamik.

Ausführlichkeit – Wie ausführlich soll ich Ihnen diese Ideen und Konzepte erklären ? Es sind ja nicht die eigentlichen Themen der Seite, sondern nur Hilfsmittel, Werkzeuge eben. Und so, wie die Handwerkenden ihre Zange nicht selbst bauen, sondern nur wissen wollen, wie man damit umgeht, werde ich in diesem Kapitel Begriffe und Zusammenhänge nur soweit erklären, wie sie für das Verständnis der folgenden Themen nötig sind.

Auf der einen Seite heißt das, dass ich das, was ich erkläre, exakt und korrekt erkläre. Meine Erklärungen werden die Teile der Wirklichkeit, die sie erklären, fehlerfrei wiedergeben. Es heißt auch, dass ich nicht an der Oberfläche herumkratzen werde, sondern bei den Grundlagen beginne. Um Sie nicht zu langweilen, werde ich von dort einen direkten Weg zu den Themen nehmen, die zum Verständnis der Struktur der Stoffe und zur Beantwortung der wichtigsten Frage (ganz am Anfang des Kapitels) gebraucht werden.

Auf der anderen Seite heißt es, dass ich nicht alles vollständig berichte. Bei meinen Erklärungen sind 2 wesentliche Einschränkungen zu finden. Bei der einen geht es um Herleitungen und Ergebnisse. Ich werde Gesetze und Regeln nicht herleiten. Das wäre, wie die Zange selbst zu bauen. Statt dessen werde ich Ergebnisse mitteilen, und zwar genau die Ergebnisse, die gebraucht werden. Bei der anderen Einschränkung geht es um Vereinfachung. Manche Teile der Wirklichkeit sind sehr komplex. Wie schon in Kapitel 3.2. (Modellbildung) erwähnt, ist es sinnvoll, solches wegzulassen und trotzdem, im Rahmen des Modells, exakt zu bleiben. Der Vorteil ist, dass Sie anschauliche und gut verständliche Erklärungen erhalten. Weitergehende Informationen finden Sie in den Lehrbüchern der Physikalischen Chemie und der Physik, zum Beispiel L–15, L–16 und L–14.

In den folgenden Abschnitten erfahren Sie mehr zu den einzelnen Konzepten.

4.1. Thermodynamik

Das Gebiet der Wissenschaft, das sich mit den hier als wichtig angesehenen Fragen beschäftigt, heißt Thermodynamik. Es ist ein Teil der Physik. Schon der Name löst bei vielen Abwehr aus. Abstrakte Begriffe, komplexe Schlussfolgerungen, und endlose Reihen mathematischer Formeln. Nicht hier ! Hier erfahren Sie, dass die Ergebnisse der Thermodynamik einfach zu verstehen sind.

4.1.1. Systeme

Viele Menschen aus vielen Fachrichtungen benutzen den Begriff System in vielen Zusammenhängen. Die meisten denken, ein System sei etwas Komplexes, und es müsse aus vielen Teilen bestehen, die perfekt zusammenarbeiten. Das, was man in der Thermodynamik unter einem System versteht, ist viel einfacher.

Ein System ist ein begrenzter Teil des Universums.

Diese Definition ist sehr einfach. Alle wirklich großen Dinge sind einfach.

Es gibt 3 Arten von Systemen.

chemische Apparatur, ein offenes System Chemikalienflasche, ein geschlossenes System

Bild 2 : Ein offenes und ein geschlossenes System.

4.1.1.1. Offene Systeme

Offene Systeme sind solche, die mit ihrer Umgebung sowohl Materie als auch Energie austauschen können.

Das klassische Beispiel ist ein offener, mit Wasser gefüllter Kochtopf, der erwärmt wird. Er nimmt Wärmeenergie aus seiner Umgebung auf und gibt Wasserdampf an sie ab. Ein typisches offenes System aus dem Labor zeigt Bild 2a. Es besteht aus dem Rundkolben und dem Rückflusskühler (ohne die Kühlschlange und das darin fließende Kühlwasser). Durch den Heizpilz wird ihm Wärme zugeführt, und durch den Trichter sollte möglichst nichts entweichen, es können dort aber Stoffe das System verlassen, zum Beispiel bei einer Reaktion mit Gasentwicklung.

Offene Systeme müssen keine materielle Begrenzung (etwa durch eine Gefäßwand) besitzen. In Bild 1a (Wasserfall) kann man in Gedanken eine bestimmte Menge Wasser (zum Beipiel einen Liter) markieren, die sich zu Beginn der Beobachtung ganz oben im Bild befindet und das weitere Verhalten dieses Liters Wasser untersuchen.

Offene Systeme werden im Rest dieses Kapitels eher selten auftauchen. Unkontrollierter Zu– und Abfluss von Materie ist nicht das, was jemandem hilft, die Welt zu ordnen.

4.1.1.2. Geschlossene Systeme

Geschlossene Systeme sind solche, die mit ihrer Umgebung keine Materie, jedoch Energie austauschen können.

Ein typisches geschlossenes System aus dem Labor zeigt Bild 2b. Es wurde, wie alle Chemikalienflaschen, daraufhin optimiert, keine Materie mit seiner Umgebung auszutauschen. Der Inhalt soll ja weder verdampfen noch Feuchtigkeit, Kohlendioxid oder andere Bestandteile der Luft aufnehmen, sondern lange unverändert bleiben. Die Temperatur des Flascheninhalts passt sich, langsam wie bei solchen Gefäßen üblich, der Umgebungstemperatur an, tauscht also Wärmeenergie mit ihr aus.

Im Alltag finden Sie geschlossene Systeme bei den meisten Lebensmittelverpackungen.

4.1.1.3. Abgeschlossene Systeme

Hier ist alles verriegelt und verramelt, nichts kommt rein oder raus. Vielleicht denken Sie so, und Sie haben Recht.

das Universum, ein abgeschlossenes System

Bild 3 : Das Universum, ein abgeschlossenes System (Ausschnitt).

Abgeschlossene Systeme sind solche, die mit ihrer Umgebung weder Materie noch Energie austauschen können.

Geht das überhaupt ? Ein solches System müsste ja vom Rest des Universums vollständig getrennt sein. Wenn man also konsequent ist und eine strenge Sichtweise pflegt, gibt es nur ein einziges abgeschlossenes System : das gesamte Universum. Da dies für Experimente etwas unhandlich ist (siehe Bild 3), benutzt man Systeme, die näherungsweise abgeschlossen sind. Das sind Systeme, die unmessbar wenig Materie mit ihrer Umgebung austauschen, und die nur so wenig Energie mit ihrer Umgebung austauschen, dass man diesen Austausch, gemessen am Zweck der Untersuchung und ihrer Dauer, vernachlässigen kann.

Im Haushalt haben die meisten ein solches Gerät – es ist eine Thermoskanne. Im Labor legt man weniger Wert auf Formschönheit, sondern minimiert die Energieabgabe an die Umgebung weiter – man hat dann ein Kalorimeter.

4.1.1.4. Der innere Aufbau von Systemen

Er interessiert in der Thermodynamik nicht. Als man begann, Das Verhalten von Systemen zu untersuchen (im 17. Jahrhundert), wusste man noch nichts von ihrem Aufbau. Die Idee, dass die Materie aus Atomen besteht, war noch nicht da, Ionen und Moleküle waren unbekannt. Man musste die Systeme so untersuchen, wie sie wahrnehmbar waren.

4.1.1.5. Vorgänge in Systemen

Im 17. Jahrhundert begann die Physik, sich mit dem Verhalten von Gasen zu beschäftigen. Die Beobachtungen hingen wesentlich davon ab, wie man den Zustand der Gase veränderte, und man benannte 3 typische Prozessführungen mit eigenen Namen. Später erkannte man, dass diese Begriffe nicht nur für Gase wichtig sind, sondern für die Beschreibung vieler anderer Vorgänge nützlich sind.

Zwei weitere Begriffe sind für das Verständnis thermodynamischer Vorgänge wichtig.

 

 

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