Physikalische Chemie I

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1 M.Bredol / MP Physikalische Chemie I / Physikalische Chemie I Nachname orname Matrikel Aufgabe Punkte erreicht Note Summe: Gegeben seien 20 g Kohlendioxid, die in einem Behälter von einem Liter olumen bei =298K vorliegen. Die kritische emperatur von Kohlendioxid beträgt etwa 310 K. a. Berechnen Sie den (idealisierten) Druck im Behälter aus dem idealen Gasgesetz b. Berechnen Sie den (realen) Druck im Behälter aus der van-der-waals-gleichung; a = m 6 Pa/mol 2, b = m 3 /mol c. Skizzieren Sie schematisch das komplette P/ Phasendiagramm von Kohlendioxid und zeichnen Sie den Zustand des Gases ein. Beschriften Sie alle Felder, Linien und Punkte des Diagramms! d. Läßt sich das Kohlendioxid durch Druckerhöhung verflüssigen? Begründung!

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3 M.Bredol / MP Physikalische Chemie I / Solarthermische Heizungsanlagen benutzen häufig Glykol als Medium für die Wärmeübertragung (1,2-ethandiol, M = kg/mol). Zwischen 240K und 430 K läßt sich die molare Wärmekapazität von Glykol durch folgenden Ausdruck beschreiben: C P,m = /K J K 1 mol 1 a. Berechnen Sie die Änderung der Enthalpie der Glykolfüllung, wenn sich die Anlage morgens in der Sonne von 283K auf die Betriebstemperatur von 350K erwärmt b. Wieviel Wärme kann die Glykolfüllung abends maximal abgeben, wenn die Sonne nicht mehr scheint und sie sich daher wieder von Betriebstemperatur auf 298 K abkühlt? c. Um welchen Betrag ändert sich im Aufgabenteil b. die Entropie der Glykolfüllung? Nehmen Sie bei Ihren Berechnungen an, dass die Anlage mit 50 kg Glykol gefüllt ist und zum Druckausgeich eine Öffnung zur Atmosphäre hin aufweist.

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5 M.Bredol / MP Physikalische Chemie I / Beim vollständigen erbrennen von 2.42 g fester Oxalsäure (COOH) 2 zu gasförmigem Kohlendioxid und flüssigem Wasser in einer kalorimetrischen Bombe (konstantes olumen, nahezu konstante emperatur) erhalte man bei 25 o C eine erbrennungswärme von kj. Das in der Bombe entstehende Gasgemisch möge sich wie ein ideales Gas verhalten. a. Berechnen Sie die molare erbrennungsenergie und die molare erbrennungsenthalpie der Oxalsäure b. Berechnen Sie die molare Bildungsenthalpie der Oxalsäure Benötigte Standardbildungsenthalpien (beachten Sie den Unterschied zwischen Innerer Energie und Enthalpie!): Wasser(l) CO 2 (g) -286 kj/mol -394 kj/mol

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7 M.Bredol / MP Physikalische Chemie I / Ideale Wärmekraftmaschinen können durch den Carnot schen Kreisprozess dargestellt werden. Dieser entsteht durch die Kombination von je zwei reversibel isothermen und reversibel adiabatischen Schritten a. Skizzieren Sie den Prozess in einem P/-Diagramm; bezeichnen Sie jeden Einzelschritt eindeutig und geben Sie an, welcher der beiden isothermen eilschritte auf hohem bzw. niedrigem emperaturniveau stattfindet b. In welchem eilschritt nimmt der Prozess Wärme auf, und in welchem eilschritt gibt er Wärme ab? Was bedeutet das für die Entropiebilanz des gesamten Prozesses? c. Skizzieren Sie den gleichen Prozess in einem sogenannten Wärmediagramm (Entropie aufgetragen über der emperatur); bezeichnen Sie dabei jeden Einzelschritt eindeutig d. Mit welchem maximalen Wirkungsgrad (geleistete Arbeit pro zugefürter Wärme) kann der Prozess Arbeit leisten, wenn das obere emperaturniveau 500 o C und das untere emperaturniveau 80 o C beträgt?

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9 M.Bredol / MP Physikalische Chemie I / Welcher der folgenden Aussagen stimmen Sie zu? Jeweils kurze Begründungen und / oder Beispiele! a. Die Enthalpie eines van-der-waals Gases ist druckabhängig b. Am absoluten Nullpunkt (=0K) ist die Entropie eines jeden Glases exakt gleich Null c. Das vollständige Differenzial einer thermodynamischen Funktion benötigt mindestens zwei Koeffizienten und zwei ariable d. Wärme und Arbeit können immer mit vollständigen Differenzialen beschrieben werden e. Elektrochemische Brennstoffzellen können maximal soviel elektrische Arbeit liefern, wie die Freie Reaktionsenthalpie angibt

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11 M.Bredol / MP Physikalische Chemie I / Daten und Formeln J R = Kmol U = Q + W du = ( ) ( ) U U d + d H = U + P G = H S A = U S S = Q P = nr S ges = S + S dw = P ex d dw rev = P d C P = ( ) H P C = ( ) U (P + a )( m 2 m b) = R ds = dq rev dg = Sd + dp C,m/R = const du = ds P d dh = ds + dp da = Sd P d S = trans 1 CP I d + 2 transh + trans CP II trans d R H( ) = R H( 0 ) + 0 R C P d P γ = const Q P = 2 1 C P d C = ( ) U η max = 1 unten oben ( ) = 1 P H C P ( ) H P Q = 2 1 C d R H = n ν i B H i R S = i=1 n ν i S i R C P = i=1 n ν i C P,i i=1 ( ) S = S = nr ln( 2 / 1 ) α = 1 ( ) P ( U ) ( ) P ( ) ( ) = P S S P ( ) P = P Z = P m R = 1 + BP + CP ( ) P β = κ = 1 ( ) P ( ) S P ( ) H P ( ) = P ) = ( P + ( ) ( ) P = S S