Physikalische Chemie I

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1 M.Bredol / M hysikalische Chemie I / hysikalische Chemie I Nachname orname Matrikel Aufgabe unkte erreicht Note Summe: Wasser besitzt die folgenden charakteristischen Daten: kritisch = K kritisch = Ma m,kritisch = 55.3 ml/mol Boyle = 2200 K a. Skizzieren Sie in einem - Diagramm Isothermen von Wasser bei 500 K, bei K und bei 800 K und markieren Sie eindeutig die Aggregatzustände und/oder Zweiphasengebiete in Ihrem Diagramm! Skalieren Sie auch (soweit möglich) die Achsen Ihrer Skizze! b. Berechnen Sie am kritischen unkt den Wert für den Kompressionsfaktor Z von Wasser. Überwiegen hier anziehende oder abstoßende Kräfte? Begründung! c. Skizzieren Sie den erlauf des Kompressionsfaktors Z von Wasser als Funktion des Drucks (Intervall bar) bei 750 K. d. Wird der fest/flüssig/gas ripelpunkt von Wasser bei einem Druck oberhalb oder unterhalb von 218 bar liegen? Begründung! b. anziehende Kräfte, Z krit =0.242 d. unterhalb

2 M.Bredol / M hysikalische Chemie I / Für einen industriellen rozess sollen 1000 kg Wasser von 40 o C auf 85 o C erwärmt werden (Wärmekapazität von flüssigem Wasser: C = 75.3 J/(molK)). Dazu stehen zwei erfahren zur Auswahl: a. erfahren I: nehmen Sie an, dass gasförmiges ropan (C 3 H 8 ) zur erfügung steht. Wieviel kg davon müssen mindestens in einem offenen Brenner verbrannt werden, um den Erwärmungsprozess durchführen zu können? b. erfahren II: nehmen Sie an, dass ein großer Abwasserstrom zur erfügung steht, der eine emperatur von 35 o C aufweist. Wieviel elektrische Arbeit muss eine Wärmepumpe dann mindestens aufnehmen, um den Erwärmungsprozess durchführen zu können? c. Mit welchem Wirkungsgrad kann die benötigte elektrische Arbeit höchstens im Kraftwerk gewonnen werden, wenn die eingesetzte urbine am Einlass mit Heißdampf von 500 o C operiert und am Auslass Abwasser mit einer emperatur von 80 o C entläßt? Benötigte Standardbildungsenthalpien: Wasser(g) CO 2 (g) ropan(g) -242 kj/mol -394 kj/mol -104 kj/mol a kg b. W el > J c. η max = 0.543

3 M.Bredol / M hysikalische Chemie I / Reines flüssiges Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) kann sich explosionsartig in die gasförmigen rodukte Wasser und Sauerstoff zersetzen, wenn ein geeigneter Katalysator (z.b. MnO 2 ) zugegen ist. a. Wieviel Wärme wird bei der Explosion von 100 g H 2 O 2 bei Umgebungstemperatur in offener Atmosphäre in die Umgebung abgegeben? b. Wird die freigesetzte Wärmemenge ansteigen oder abfallen, wenn der rozess bei erhöhter emperatur stattfindet? Genaue (rechnerische) Begründung! c. Wieviel Wärme wird bei der Explosion von 0.2 g H 2 O 2 bei Umgebungstemperatur in einem Bombenkalorimeter freigesetzt? d. An welcher Größe kann man ablesen (bitte berechnen!), ob die Zersetzung explosionsartig (d.h. freiwillig und irreversibel) ablaufen kann? B H /(kj mol 1 ) S /(J mol 1 K 1 ) C /(J mol 1 K 1 ) H 2 O 2 (l) O 2 (g) H 2 O(g) a kj b. es wird mehr Wärme frei c kj d. R G = kj/mol ist stark negativ: irreversibel

4 M.Bredol / M hysikalische Chemie I / Für die Bildung von gasförmigem NH 3 aus den Elementen sind die folgenden thermodynamischen Daten bekannt: NH 3 : H 2 : N 2 : NH 3 : C,m J/(Kmol) = /K K 2 / 2 C,m J/(Kmol) = /K K 2 / 2 C,m J/(Kmol) = /K K 2 / 2 B H298 = kj/mol Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie für die Bildung von gasförmigem NH 3 aus den Elementen bei 1200 K. R H 1200 = 50.5 kj/mol

5 M.Bredol / M hysikalische Chemie I / Welcher der folgenden Aussagen stimmen Sie zu? Jeweils kurze Begründungen und / oder Beispiele! a. Die Entropie eines van-der-waals Gases ist druckabhängig b. Adiabatische rozesse führen stets zum Gleichgewicht c. Das vollständige Differenzial einer thermodynamischen Funktion kann nur in den natürlichen ariablen formuliert werden d. Die Maxwell Gleichungen erlauben die Beschreibung elektrischer rozesse mit thermodynamischen otenzialen e. Elektrochemische Brennstoffzellen können maximal soviel elektrische Arbeit liefern, wie der Carnot Wirkungsgrad angibt r,f,f,f,f

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

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