Einführung in thermodynamische Potentiale
In der Thermodynamik sind Potentiale mathematische Größen, die den Zustand eines physikalischen Systems beschreiben. Dabei handelt es sich um Zustandsvariablen, die von der Wahl des Bezugssystems abhängen. Die wichtigsten Potentiale in der Thermodynamik sind die innere Energie, die Enthalpie, die freie Energie und das chemische Potential.
Die Potentiale beschreiben die Zustände eines Systems in unterschiedlichen Situationen. So gibt die innere Energie Auskunft über die Gesamtenergie des Systems, während die Enthalpie den Energiegehalt bei konstantem Druck beschreibt. Die freie Energie hingegen beschreibt den maximalen Arbeitsaufwand, der aus dem System gewonnen werden kann, während das chemische Potential den Zustand eines Stoffes in Bezug auf seine Wechselwirkung mit anderen Stoffen beschreibt.
Wichtige Konzepte und Definitionen
Die Potentiale in der Thermodynamik werden in der Regel als partielle Ableitungen der Zustandsgrößen definiert. So ist das chemische Potential eines Stoffes definiert als die partielle Ableitung der freien Energie nach der Stoffmenge. Das bedeutet, dass das chemische Potential Auskunft darüber gibt, wie stark sich die freie Energie durch eine Änderung der Stoffmenge verändert.
Ein weiteres wichtiges Konzept in der Thermodynamik ist die Legendre-Transformation. Diese Transformation erlaubt es, aus einem Potenzial ein anderes Potenzial zu berechnen. So kann zum Beispiel aus der Enthalpie die freie Energie berechnet werden.
Anwendungen in der Thermodynamik
Die Potentiale in der Thermodynamik finden in vielen Bereichen Anwendung. So können mit Hilfe des chemischen Potentials Reaktionen von Stoffen berechnet werden. Auch die Berechnung von Phasendiagrammen und die Vorhersage von Phasenübergängen sind ohne thermodynamische Potentiale nicht möglich.
Zudem können mit Hilfe der Potentiale auch die thermodynamischen Eigenschaften von Materialien berechnet werden. So kann zum Beispiel die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes aus der Enthalpie berechnet werden.
Beispiel: Berechnung des chemischen Potentials
Das chemische Potential kann zum Beispiel genutzt werden, um die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion zu berechnen. Dafür wird das chemische Potential der Produkte und der Edukte miteinander verglichen. Liegt das chemische Potential der Produkte höher als das der Edukte, wird die Reaktion in Richtung der Produkte ablaufen.
Um das chemische Potential zu berechnen, wird die freie Enthalpie der Reaktion benötigt. Diese kann aus den freien Enthalpien der Edukte und Produkte berechnet werden. Anschließend wird das chemische Potential eines Stoffes durch die partielle Ableitung der freien Enthalpie nach der Stoffmenge berechnet. Durch den Vergleich der chemischen Potentiale der Edukte und Produkte kann die Gleichgewichtskonstante der Reaktion berechnet werden.
