Wärme und Arbeit
- Anknüpfung (1.1.1):Messbar ist nur \(\Delta U\) — aber wodurch ändert sich \(U\) eines geschlossenen Systems?
- Wärme \(Q\):Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds über die Systemgrenze fließt.
- Arbeit \(W\):Energie, die mechanisch übertragen wird — in der Chemie meist als Volumenarbeit eines Gases.
- Vorzeichen:aus Sicht des Systems: hinein \(+\), hinaus \(-\).
Erster Hauptsatz: \(\Delta U = Q + W\)
Stelle mit den Reglern ein, wie viel Wärme \(Q\) und Arbeit \(W\) über die Systemgrenze gehen — oder ziehe den Kolben (Tastatur: Kolben fokussieren, ↑/↓). Die Balken zeigen die Bilanz.
Halte fest: Die innere Energie ändert sich nur durch Wärme und Arbeit — was hineingeht, zählt positiv, was hinausgeht, negativ.
Volumenarbeit von Gasen
- Ausdehnung:das Gas schiebt den Kolben gegen den äußeren Druck \(p\) — es verrichtet Arbeit, \(W < 0\).
- Kompression:die Umgebung schiebt den Kolben hinein, \(W > 0\).
Herleitung:
Volumenarbeit: \(W = -p\cdot\Delta V\)
- Einheiten:\(1\,\text{kPa}\cdot\text{L} = 1\,\text{J}\).
- Starres Gefäß:\(\Delta V = 0\) → \(W = 0\) → \(\Delta U = Q\).
- Isoliertes System:\(Q = 0\) und \(W = 0\) → \(\Delta U = 0\): Energie geht nicht verloren und entsteht nicht.
Allgemeine Hinweise
Physik-Vorzeichen
Manche Physikbücher schreiben \(\Delta U = Q - W\) mit \(W\) als vom System abgegebener Arbeit. In der Chemie gilt: alles aus Sicht des Systems, \(\Delta U = Q + W\).
Äußerer Druck zählt
In \(W = -p\cdot\Delta V\) steht der Druck, gegen den sich das Gas ausdehnt — nicht der Druck im Gas. Ohne Gegendruck (Vakuum) ist \(W = 0\).
Bilanz in drei Schritten
Erst \(Q\) mit Vorzeichen, dann \(W\) aus \(-p\cdot\Delta V\) (in J umrechnen), zuletzt addieren — und das Vorzeichen von \(\Delta U\) deuten.