Die Maxwellrelationen sind die Konsequenz der Anwendung der Differentialrechnung auf den ersten Hauptsatz.
Die innere Energie wird als Funktion der Entropie und des Volumens angesehen.
(4.502) |
kann als totales Differential geschrieben werden:
Die Gleichungen (4.225) und (4.227) beschreiben das gleiche thermodynamische System. Da und beliebig wählbar sind (unabhängige Variablen) müssen ihre Koeffizienten gleich sein:
(4.504) | ||
(4.505) |
Die gemischten zweiten Ableitungen sind unabhängig von der Reihenfolge.
(4.506) |
Damit erhält man
(4.507) |
Das betrachtete thermodynamische System soll durch die freien Variablen und beschrieben werden. Dies bedeutet, dass das Volumen eine Konsequenz des angelegten Druckes sein soll. Das Differential ausgerechnet ist
(4.508) |
Umgestellt erhalten wir
(4.509) |
wird links und rechts addiert
(4.510) |
Wir definieren die Enthalpie
(4.511) |
Analog zum ersten Hauptsatz erhalten wir mit den unabhängigen Variablen und
(4.512) |
Andererseits kann als totales Differential geschrieben werden
(4.513) |
Der Koeffizientenvergleich ergibt die beiden Beziehungen
(4.514) | ||
(4.515) |
Wieder sind die gemischten zweiten Ableitungen unabhängig von der Reihenfolge.
Damit erhalten wir die Beziehung
(4.516) |
Das betrachtete thermodynamische System soll durch die freien Variablen und beschrieben werden. Dies bedeutet, dass die Entropie eine Konsequenz der herrschenden Temperatur sein soll. Das Differential ausgerechnet ist
(4.517) |
Umgestellt erhalten wir
(4.518) |
wird links und rechts subtrahiert
(4.519) |
Wir nennen die Grösse
(4.520) |
(4.521) |
Der Koeffizientenvergleich ergibt die beiden Beziehungen
(4.522) | ||
(4.523) |
Die Reihenfolge der gemischten zweiten Ableitungen kann vertauscht werden.
Damit erhalten wir die Beziehungen
(4.524) |
Das betrachtete thermodynamische System soll durch die freien Variablen und beschrieben werden. Dies bedeutet, dass die Entropie eine Konsequenz der herrschenden Temperatur und das Volumen durch den Druck bestimmt sein soll. Wir addieren nun im ersten Hauptsatz auf beiden Seiten und erhalten
(4.525) |
Wir nennen die Grösse
(4.526) |
die freie Enthalpie oder die Gibbssche freie Energie. ist ein totales Differential
(4.527) |
Durch Koeffizientenvergleich erhält man
(4.528) | ||
(4.529) |
Die Reihenfolge der gemischten zweiten Ableitungen kann gewechselt werden.
Damit erhalten wir die Beziehung
(4.530) |
Dieser Stoff wurde am 02. 07. 2007 behandelt |
Materialien
Folien zur Vorlesung am 02. 07. 2007 PDF |
Die vier aus den zweiten Ableitungen der thermodynamischen energetischen Zustandsfunktionen , , , und abgeleiteten Beziehungen heissen Maxwellrelationen.
(4.531) | ||
(4.532) | ||
(4.533) | ||
(4.534) |
Die vier Maxwellrelationen folgen alle aus der Tatsache, dass die Anzahl zugänglicher Zustände eines thermodynamischen Systems dieses System beschreibt (in der Quantenmechanik eindeutig, sonst bis auf eine additive Konstante der Entropie).
, , und heissen thermodynamische Potentiale. Dieser Begriff ist verwirrend, da anders als im Rest der Physik diese Grössen die Einheit einer Energie haben.
Eselsbrücke für thermodynamische Potentiale
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Die thermodynamischen Potentiale stehen in dieser Darstellung in der Mitte der Quadrate. Die unabhängigen Variablen sind immer die benachbart zu dem jeweiligen Potential. So steht zwischen und .
Die Maxwellrelation
. Hier zeigen die Spitzen der Dreiecke nach unten,
und wir haben ein Minuszeichen in der Relation.
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Die Maxwellrelation
.
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Die Maxwellrelation
.
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Die
Maxwellrelation
. Hier zeigen die Spitzen der
Dreiecke nach oben, und wir haben ein Minuszeichen in der Relation.
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Bei der Berechnung der Eigenschaften der inneren Energie hatten wir festgestellt, dass im Gleichgewicht die Entropie maximal und die innere Energie minimal ist. Dabei war immer die Nebenbedingung, dass das System von der Umwelt isoliert sei, das heisst dass war (adiabatische Prozesse), und dass das Volumen konstant war, (isochore Prozesse). In diesem Kapitel interessieren wir uns für die Gleichgewichtsbedingungen, wenn andere Randbedingungen als und gelten.
Links ist das Feder-Masse-Pendel ohne Gravitationsfeld zu
sehen, rechts mit Gravitationsfeld.
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Ein Feder-Masse-Pendel wird durch die Federkraft
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Abbildung 4.49 zeigt, wie das Anschalten der Gravitation den Ort des Minimums verändert. Wenn also die Nebenbedingungen (manchmal auch Randbedingungen genannt) ändern, so ändert sich die Gleichgewichtslage. Wir wollen im Folgenden untersuchen, wie andere als die adiabatisch-isochoren Randbedingungen die Gleichgewichtslage ändern.
Um klar abzugrenzen, welche Randbedingungen angewendet werden, wenn die Gleichgewichtslage gesucht wird, wird für jedes Paar von Randbedingungen eine andere Energie definiert. Diese Energiefunktionen werden thermodynamische Potentiale genannt. So würde man ja auch
Jedes System, das nicht adiabatisch ist, erlaubt den Wärmeaustausch mit der Umgebung. Um die Gleichgewichtsbedingungen zu finden, müssen wir deshalb das System und die Umgebung gemeinsam betrachten! Bei einem offenen System ist die Entropie
Hierbei wird angenommen, dass nur mechanische Arbeit möglich ist. Also ist
Wenn das Volumen zwangsweise konstant gehalten wird, entfällt die Druckarbeit . Wenn weiter auch die Temperatur konstant gehalten wird, ist . Diese Grösse kann also subtrahiert werden. Gleichung (4.263) wird dann
Bei isotherm-isochoren Bedingungen ( und ) ist die
freie Energie
minimal. |
Wenn und konstant sind, kann man Gleichung (4.263) durch und ergänzen und erhält
Bei isotherm-isobaren Bedingungen ( und ) ist die
freie Enthalpie
minimal. |
Ohne Wärmeaustausch ist . Wenn gleichzeitig der Druck konstant ist, entfällt in Gleichung (4.263) der Term und wir können addieren.
Bei adiabatisch-isobaren Bedingungen (
und ) ist die
Enthalpie
minimal. |
Adiabatisch-isobare Bedingungen können mit einem Dewar-Gefäss (thermisch isoliert) mit einem beweglichen Deckel der Masse im Gravitationsfeld simuliert werden. Wäre der Deckel fixiert, hätten wir die adiabatisch isochoren Bedingungen, die ein Minimum der inneren Energie fordern. Beim beweglichen Deckel liegt die Gleichgewichtslage anders, wie aus dem Beispiel mit dem Feder-Masse-Pendel im Gravitationsfeld (Abbildung 4.49) zu ersehen ist. Die Gleichgewichtslage ist nun durch die kombinierte Energie bestehend aus der inneren Energie und der Gravitationsenergie gegeben!
Schliesslich entfällt in Gleichung (4.263) sowohl wie auch , wenn das Volumen konstant gehalten wird und kein Energieaustausch vorkommt.
Bei adiabatisch-isochoren Bedingungen (
und ) ist die
innere Energie
minimal. |
Je nach den Bedingungen (isobar, isotherm, usw) kann man mit dem entsprechenden thermodynamischen Potential den Reaktionsweg und die Reaktionsrichtung bestimmen.
Othmar Marti