Inhalt. Vorwort v Hinweise zur Benutzung vi Über die Autoren vii

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1 Inhalt Vorwort v Hinweise zur Benutzung vi Über die Autoren vii 1 Phänomenologische Thermodynamik Die grundlegenden Größen und Konzepte Reduktion des Systems auf wenige ausgewählte Zustandsgrößen Wärme und Temperatur Transportgleichungen Die experimentellen Schlüsselgrößen der Thermodynamik Zustandsgrößen: Der mathematische Formalismus Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Verständnisfragen Die Entropie Wärme ist keine Zustandsgröße Die vom System abgegebene Wärme entspricht der Änderung der Zustandsgröße Enthalpie Temperatur als integrierender Faktor Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Expansion eines idealen Gases ins Vakuum Entropiezunahme bei Temperaturausgleich Freie Energie und Gibbs-Energie Die fundamentalen Beziehungen Die Gibbs-Hauptgleichung Homogenitätsrelation Die Gibbs-Duhem-Beziehung Thermodynamische Potentiale Eine Zusammenfassung ohne Formeln Maxwell-Relationen Das Guggenheim-Quadrat Die Gibbs-Energie G Phasengleichgewichte in Einkomponenten-Systemen Die Clausius Clapeyron-Gleichung Thermodynamik von Mischphasen Das chemische Potential in einer Mischphase Die qualitativen Trends Osmose 55

2 x Inhalt 1.7 Chemisches Gleichgewicht Die Reaktionslaufzahl Die Gleichgewichtsbedingung: Minimum der Gibbs-Energie G Das Massenwirkungsgesetz Beeinflussung des Gleichgewichts Optimierung der Reaktionsausbeute Grenzflächen Grenzflächenspannung Keimbildung und Wachstum Grenzflächenspannung und das Spreiten einer Flüssigkeit Einfluss der Grenzfläche auf das Phasengleichgewicht Fiktive Prüfungsgespräche Henry-Gesetz, Boltzmann, chemische Potentiale, Osmose Dampfdruck, Raoultsches Gesetz, Aktivitätskoeffizient, statistische Thermodynamik Aggregatszustände, Phasendiagramme, chemisches Potential, superkritische Fluide Phasendiagramm, Keimbildung und Wachstum Hauptsatz, Gibbs-Energie, ideale und reale Lösung Gas, Temperatur, Gasverflüssigung, Joule Thomson-Effekt, zwischenmolekulare Kräfte, Jonglieren mit thermodynamischen Beziehungen Gibbs-Energie angewandt auf Phasengleichgewichte und chemische Reaktionen Chemisches Gleichgewicht, Prinzip des kleinsten Zwanges Aufbau der Materie Klassische Mechanik Wellen Polarisation und Intensität Interferenz Die evaneszente Welle Optische Lichtleiter Beugung Röntgenstrukturanalyse Streuverfahren Kristalle Netzebene und Millersche Indizes Reziprokes Gitter Beugungsmethoden zur Kristallstrukturbestimmung Verständnisfragen Die Doppelnatur Welle Teilchen 154

3 Inhalt xi 2.5 Schlüsselexperimente der Quantenmechanik Unschärferelation Verständnisfragen Der Formalismus der Quantenmechanik Axiomatische Formulierung der Quantenmechanik Die zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung Ortsdarstellung - Impulsdarstellung Der Kommutator bestimmt die Erhaltungsgrößen des Systems Das Theorem von Ehrenfest Eine wichtige Lösungsstrategie: die Variationsrechnung Der Elektronenspin Der Stern-Gerlach-Versuch Spinorbitale und Raumorbitale Pauli-Prinzip Behandlung von Molekülen Auswahlregeln in der optischen Spektroskopie Fiktive Prüfungsgespräche Das Teilchen im Kasten Der quantenmechanische Oszillator Atombau und Orbitale Molekülorbitale, Polarisationszustände, Übergangsdipolmoment Statistische Thermodynamik Makrozustand, Mikrozustand und Verteilungsfunktion Spiel mit Würfeln Verteilung von Teilchen auf Energieniveaus Verteilungsfunktion für ein großes Ensemble Fiktive Prüfungsgespräche Statistische Deutung der Entropie Herleitung der Boltzmann-Verteilung Übungsaufgaben und Verständnisfragen Informationsfluss in chemischen Systemen Teilchen im Gravitationsfeld Zentrifuge Urananreicherung Konformation von Molekülen Gepolte Polymere Spektroskopie: Besetzung von Energieniveaus Diffusion und Zufallsbewegung Aufgabe: Ermittlung der Bedeutung des Lagrange-Multiplikators β 258

4 xii Inhalt 3.5 Die Zustandssumme Der Formalismus Das ideale Gas Die Wärmekapazität Der Gleichverteilungssatz der Energie Die inneren Freiheitsgrade Beitrag der Rotation zur molaren Wärmekapazität Fiktives Prüfungsgespräch: Das Rotationsspektrum Beitrag der Schwingung zur molaren Wärmekapazität Diskussion der Wärmekapazität eines zweiatomigen Gases Verständnisfragen zur Zustandssumme Kinetik und Elektrochemie Ebenen des Verständnisses einer chemischen Reaktion Formalkinetik Die Reaktionsgeschwindigkeit Reaktionen nullter Ordnung Reaktionen erster Ordnung Reaktionen zweiter Ordnung Reaktionen dritter Ordnung Untersuchungsmethoden Bestimmung der Reaktionsordnung Kinetische Ableitung des Massenwirkungsgesetzes Reaktionskoordinate Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten Mikroreversibilität Komplexere Reaktionen Parallelreaktionen Folgereaktionen Fiktive Prüfungsgespräche Formalkinetik Enzymkinetik Elektrochemie Fiktive Prüfungsgespräche Leitfähigkeit, Batterie, Stockholmer Konvention Der Bleiakkumulator Selbstorganisation, Ionen an Grenzflächen Standardbildungsenthalpien, Lösungswärme 330

5 Inhalt xiii Anhang Mathematischer Leitfaden 334 A.1 Funktionen mit mehreren Veränderlichen 334 A.1.1 Zeichnerische Darstellungen 334 A.1.2 Partielle Ableitung 335 A.1.3 Satz von Schwarz 337 A.1.4 Gradient 338 A.1.5 Anwendungen des Gradienten 340 A.1.6 Richtungsableitung 342 A.1.7 Differenzierbarkeit 342 A.1.8 Totales Differential 344 A.1.9 Extremwerte 344 A.1.10 Extremwerte mit Nebenbedingungen 345 A.2 Komplexe Zahlen 348 A.3 Fourier-Transformation 351 Danksagung 354 Sachwortregister 355

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