Kapitel 4. Thermodynamisches Gleichgewicht zwischen zwei Systemen. 4.1 Systeme im thermischen Kontakt 1; E 1 =? 2; E 2 =?

Ähnliche Dokumente
Moderne Theoretische Physik III (Theorie F Statistische Mechanik) SS 17

Kapitel 5. Kanonisches Ensemble. 5.1 Herleitung 1; E 1 =? 2; E 2 =?

6 Thermodynamische Potentiale und Gleichgewichtsbedingungen

Erinnerung: Intensive, extensive Größen

Kapitel 3. Statistische Definition der Entropie. 3.1 Ensemble aus vielen Teilchen

Theoretische Physik F: Zwischenklausur SS 12

2 Grundbegriffe der Thermodynamik

Physikdepartment. Ferienkurs zur Experimentalphysik 4. Daniel Jost 10/09/15

Die innere Energie and die Entropie

Statistische Zustandsgröße Entropie Energieentwertung bei Wärmeübertragungen II. Hauptsatz der Thermodynamik

Erinnerung an die Thermodynamik

1. Thermodynamische Potentiale, Maxwellgleichungen

Die absolute Temperaturskala und der 3. Hauptsatz der Thermodynamik

2. Thermodynamik Grundbegriffe Hauptsätze Thermodynamische Potentiale response -Funktionen

Notizen zur statistischen Physik

Der Zustand eines Systems ist durch Zustandsgrößen charakterisiert.

Zur Thermodynamik des idealen Gases (GK Physik 1)

Musterlösung zu Übung 7

1 I. Thermodynamik. 1.1 Ideales Gasgesetz. 1.2 Vereinfachte kinetische Gastheorie. 1.3 Erster Hauptsatz der Thermodynamik.

Statistische Thermodynamik I Lösungen zur Serie 11

Prof. Dr. Peter Vogl, Thomas Eissfeller, Peter Greck. Übung in Thermodynamik und Statistik 4B Blatt 4 Lösung. P + a )

Probeklausur STATISTISCHE PHYSIK PLUS

8.3 Ausgleichsprozesse in abgeschlossenen und nichtabgeschlossenen Systemen - thermodynamisches Gleichgewicht und thermodynamische Potentiale

1. Die Wellengleichung

8.3 Ausgleichsprozesse in abgeschlossenen Systemen, thermodynamisches Gleichgewicht und thermodynamische Potentiale

5. Die Thermodynamischen Potentiale

Klausur zur Statistischen Physik SS 2013

2. Thermodynamik Grundbegriffe Hauptsätze Thermodynamische Potentiale response -Funktionen

8. Mehrkomponentensysteme. 8.1 Partielle molare Größen. Experiment 1 unter Umgebungsdruck p:

8. Thermodynamik zur Metallphysik 8.1 Thermodynamische Grundlagen

1 Massenwirkungsgesetz

Mode der Bewegung, Freiheitsgrade

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht

Informationen. Anmeldung erforderlich: ab :00 bis spätestens :00

Winter-Semester 2017/18. Moderne Theoretische Physik IIIa. Statistische Physik

Thermodynamische Hauptsätze, Kreisprozesse Übung

Karlsruher Institut für Technologie Festkörperphysik. Übungen zur Theoretischen Physik F SS 10

1 Thermodynamik allgemein

4 Thermodynamik mikroskopisch: kinetische Gastheorie makroskopisch: System:

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

3 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht

Prof. Dr. Peter Vogl, Thomas Eissfeller, Peter Greck. Übung in Thermodynamik und Statistik 4B Blatt 8 (Abgabe Di 3. Juli 2012)

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

6.7 Die Entropie und der Zweite Hauptsatz

Prinzip der virtuellen Verschiebung

22. Entropie; Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre

Spontane und nicht spontane Vorgänge Freiwillig und nicht freiwillig ablaufende Vorgänge

3.2 Thermodynamisches Gleichgewicht und thermodynamische Potentiale

P = P(T, v) = k BT v b a v 2 (37.1)

Physikalische Chemie Physikalsiche Chemie I SoSe 2009 Prof. Dr. Norbert Hampp 1/10 5. Zustandsfunktionen Idealer und Realer Gase. ZustandsÄnderungen

Skizze zur Veranschaulichung der Legendretransformation

3.2 Thermodynamisches Gleichgewicht und thermodynamische Potentiale

Thermodynamik I. Sommersemester 2012 Kapitel 3, Teil 2. Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch

Thermodynamik. Christian Britz

Theoretische Physik 4 Thermodynamik und Statistische Physik

Auswahl von Prüfungsfragen für die Prüfungen im September 2011

k B T de + p k B T dv µ k B T dn oder de = T ds pdv + µdn (1) Enthalpie I = E + pv zu betrachten und es gilt di = T ds + V dp + µdn (3)

6.2 Zweiter HS der Thermodynamik

4 Hauptsätze der Thermodynamik

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Physikalisch-chemische Grundlagen der Verfahrenstechnik

4 Der 2. Hauptsatz, Entropie und Gibbs scher Fundamentalsatz

Q i + j. dτ = i. - keine pot. und kin. Energien: depot. - adiabate ZÄ: Q i = 0 - keine technische Arbeit: Ẇ t,j = 0

Ferienkurs Experimentalphysik 2 - Donnerstag-Übungsblatt

Theoretische Physik IV

3.2 Thermodynamische Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen

Molekulare Bioinformatik

Thomas Eissfeller, Peter Greck, Tillmann Kubis, Christoph Schindler

5. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 5.1 Reversible und irreversible Prozesse 5.2 Formulierung des zweiten Hauptsatzes

Einführung in die Physikalische Chemie Teil 2: Makroskopische Phänomene und Thermodynamik

Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. Peter Hakenesch

GPH2 Thermodynamik. 27. September Dieser Entwurf ist weder vollständig oder fehlerfrei noch ein offizielles Script zur Vorlesung.

Grundsätzliche Überlegungen zur Messung von Enthalpiedifferenzen

13 Mehrdimensionale Zufallsvariablen Zufallsvektoren

4.6.5 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Allgemeines Gasgesetz. PV = K o T

Thermodynamik. Thermodynamics. Markus Arndt. Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation Universität Wien January 2008

Thomas Eissfeller, Peter Greck, Tillmann Kubis, Christoph Schindler

Thermodynamik und Statistische Mechanik WS2014/2015

Stickstoff kann als ideales Gas betrachtet werden mit einer spezifischen Gaskonstante von R N2 = 0,297 kj

Übungen zu Moderne Theoretischen Physik III SS Curie-Paramagnetismus ( =30 Punkte, schriftlich)

b ) den mittleren isobaren thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten von Ethanol. Hinweis: Zustand 2 t 2 = 80 C = 23, kg m 3

TU-München, Musterlösung. Experimentalphysik II - Ferienkurs Andreas Schindewolf

II. Wärmelehre. II.2. Die Hauptsätze der Wärmelehre. Physik für Mediziner 1

Zustandsbeschreibungen

Moderne Theoretische Physik III (Theorie F Statistische Mechanik) SS 17

Thermodynamik (Wärmelehre) I Die Temperatur

Statistische Physik - Theorie der Wärme (PD Dr. M. Falcke)

Dozent: Alexander Shnirman Institut für Theorie der Kondensierten Materie

9.4 Stationäre kompressible Strömungen in Rohren oder Kanälen konstanten Querschnitts

T 1 T T Zustandsverhalten einfacher Systeme (Starthilfe S ) - Prozess und Zustandsänderung. Prozess (Q 12

PCG Grundpraktikum Versuch 4 Neutralisationswärme Multiple Choice Test

Physik I TU Dortmund WS2017/18 Gudrun Hiller Shaukat Khan Kapitel 6

Wärmelehre/Thermodynamik. Wintersemester 2007

Physikalische Chemie Physikalische Chemie I SoSe 2009 Prof. Dr. Norbert Hampp 1/9 1. Das Ideale Gas. Thermodynamik

IV. Strömungen eines idealen Fluids

Transkript:

Kapitel 4 hermodynamisches Gleichgewicht zwischen zwei Systemen Im letzten Abschnitt haben wir am Beispiel des idealen Gases die Entropie (S(E)) bestimmt, und zwar im Rahmen des mikrokanonischen Ensembles unter Verwendung der Maximierung der Entropie im thermodynamischen Gleichgewicht. Im folgen soll nun die resultierende hermodynamik untersucht werden. 4. Systeme im thermischen Kontakt Betrachten wir nunmehr zwei Systeme ( und 2), die räumlich getrennt sein mögen, aber untereinander Energieaustausch vornehmen können. Es seien n (E ) und n 2 (E 2 ) die Zahl der Zustände in δe δe ; E? 2; E 2? eilsystem (2) bei Energie E (E 2 ). Ferner sei p(e ) die Wahrscheinlichkeit, dass eilsystem die Energie E habe; wenn eilsystem die Energie E hat, muss eilsystem 2 gleichzeitig die Energie E 2 E E haben, damit sich eine Gesamtenergie von E ergibt. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung p(e ) noch offen; sie soll jetzt bestimmt werden. Innerhalb jedes eilsystems herrsche thermodynamisches Gleichgewicht, d.h. in eilsystem hat (bei ge-

2KAPIEL 4. HERMODYNAMISCHES GLEICHGEWICH ZWISCHEN ZWEI SYSEMEN gebenem E ) jeder Zustand mit passender Energie die Wahrscheinlichkeit /n (E ); in eilsystem 2 desgleichen. Die Wahrscheinlichkeit, dass eilsystem die Energie E hat, eilsystem sich im Zustand j (zwischen und n (E )) befindet sowie eilsystem 2 sich im Zustand k (zwischen und n 2 (E 2 E E )) befindet, beträgt also ρ j,k (E ) p(e )/(n (E )n 2 (E 2 E E )). Hierzu berechnet man die Entropie des Gesamtsystems zu S(E) k B ρ j,k (E ) ln(ρ j,k (E )) E ;j...n (E );k...n 2 (E E) p(e ) ln[p(e )/(n (E )n 2 (E E ))] k B E k B p(e ) ln[p(e )] + p(e ) [k B ln(n (E )) + k B ln(n 2 (E E ))] E E k B p(e ) ln[p(e )] + p(e ) [S (E ) + S 2 (E E )] E E. (4.) Es sei daran erinnert, dass innerhalb jedes eilsystems bereits thermodynamisches Gleichgewicht herrscht; S und S 2 stellen daher bereits die jeweils maximierte Entropie dar. Die resultierende Gesamtentropie S(E) muss hingegen noch maximiert werden, und zwar bezüglich der Energie-Verteilungsfunktion p(e ), die kontrolliert, wie groß der Anteil von eilsystem an der (vorgegebenen) Gesamtenergie E ist. Zur Maximierung von S betrachten wir zwei Aspekte: Die beiden eilentropien und ihre Summe haben folgende Struktur: S (E ) + S 2 (E E ) S (E ) E Ggw S 2 (E E ) E E Offenbar wird die Summe für dasjenige E maximal, für das gilt: E [S (E ) + S 2 (E 2 E E )] S (E ) E S 2(E 2 ) E 2 0

4.. SYSEME IM HERMISCHEN KONAK 3 (4.2) Hierdurch wird der Wert von E festgelegt, der im thermodynamischen Gleichgewicht des Gesamtsystems eingestellt wird. Die Ableitungen in Gl. (4.2) definiert man als Inverses der emperatur: : S (E ), E : S 2(E 2 ) (4.3) 2 E 2 [im Einklang damit, dass die emperatur mit der inneren Energie ansteigt; wenn z.b. S(E) c ln(e) gilt, so folgt / c/e, also E]. Die Bedingung für das thermodynamische Gleichgewicht zwischen den beiden eilsystemen lautet somit, dass ihre emperaturen und 2 die gleichen sein müssen: 2. Die Maximierung von S + S 2 suggeriert, dass E einen wohldefinierten, scharfen Wert annimmt, d.h. dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung p(e ) durch eine Deltafunktion, p(e ) δ(e E Ggw ), gegeben sei. In diesem Fall wird der erste erm in Gl. (4.) Null (vgl. scharfer Zustand bei der Diskussion der Definition der Entropie). Offenbar lässt sich dieser erste erm auf einen positiven Wert anheben, indem man in p(e ) eine (i.a. geringe) Verbreiterung zulässt; falls sie nicht zu groß wird, so nimmt der Erwartungswert des zweiten erms (d.h. E p(e )[S +S 2 ]) nur unwesentlich ab; eine Verbreiterung von p(e ) führt somit zu einer weiteren Zunahme der Gesamtentropie. Während also die Summe beider Energien festliegt, unterliegt ihre Aufteilung auf die beiden eilsysteme Fluktuationen. Nehmen wir an, E sei zunächst vom Gleichgewichtswert E Ggw verschieden, z.b. E > E Ggw (siehe Skizze): In diesem Falle gilt folgendes: Offenbar gilt hier S (E ) < S (E Ggw ), also > Ggw, und analog 2 < Ggw : eilsystem hat eine größere emperatur als eilsystem 2. Das Gesamtsystem kann nun seine Gesamtentropie erhöhen, indem Energie vom eilsystem auf eilsystem 2 übertragen wird; E wird geringer, E 2 wird größer; gleichzeitig sinkt,

4KAPIEL 4. HERMODYNAMISCHES GLEICHGEWICH ZWISCHEN ZWEI SYSEMEN S (E ) + S 2 (E E ) S (E ) E Ggw E S 2 (E E ) E E während 2 steigt: emperaturdifferenz führt zu Wärmetransport, bis die emperaturen sich angleichen; dabei steigt die Entropie des Gesamtsystems. Bei infinitesimal kleinen Energieänderungen gilt (etwa für eilsystem ): de ds : δq (4.4) durch Wärmezufuhr δq von außen. Die Beziehung δq ds dient traditionell zur Definition der Entropie. Wie schnell die oben angesprochenen Ausgleichsprozesse ablaufen, geht aus dem Konzept der Gleichgewichts-hermodynamik nicht hervor. 4.2 Weitere Gleichgewichtsbedingungen Analog zum thermischen Gleichgewicht betrachtet man mechanisches Gleichgewicht zwischen zwei eilsystemen; dabei wird ein konstantes Gesamtvolumen V angenommen, das sich gemäß V V + V 2 auf beide eilsysteme verteilen kann; dies geschieht durch eine frei verschiebbare Wand: ; V? 2; V 2?

4.3. ABHÄNGIGKEI DER ENROPIE VON MEHREREN UNABHÄNGIGEN VARIABLEN5 Ähnliche Überlegungen wie zur emperatur führen zum Konzept des Druckes P, der sich gemäß P : S (V ) V, P 2 : 2 S 2(V 2 ) V 2 (4.5) ergibt. Mechanisches Gleichgewicht herrscht, wenn der Druck in beiden eilsystemen gleich ist; ansonsten würde sich die Wand verschieben, so dass sich V und V 2 ändern. Im eilsystem mit höherem Druck nimmt das Volumen zu. Als letztes betrachten wird zwei eilsysteme, zwischen denen eilchenaustausch möglich ist: dabei wird eine konstantes Gesamtteilchenzahl N angenommen, die sich gemäß N N +N 2 auf beide eilsysteme verteilen kann; dies geschieht durch eine durchlässige Wand: δn δn ; N? 2; N 2? Ähnliche Überlegungen wie zur emperatur führen zum Konzept des chemischen Potenzials µ, das sich gemäß µ : S (N ) N, µ 2 : 2 S 2(N 2 ) N 2 (4.6) ergibt. Chemisches Gleichgewicht herrscht, wenn das chemische Potenzial in beiden eilsystemen gleich ist; ansonsten würden eilchen durch die Wand wandern (Diffusion, Osmose,...), so dass sich N und N 2 ändern, bis beide chemische Potenziale gleich sind. Im eilsystem mit höherem chemischen Potenzial nimmt die eilchenzahl ab. 4.3 Abhängigkeit der Entropie von mehreren unabhängigen Variablen Bisher wurden nur Abhängigkeiten von einzelnen Variablen betrachtet; im allgemeinen hängt die Entropie von allen Variablen gleichzeitig ab: S(E, V, N) bzw. in einem eilsystem: S (E, V, N ).

6KAPIEL 4. HERMODYNAMISCHES GLEICHGEWICH ZWISCHEN ZWEI SYSEMEN Dementsprechend sind die bisher betrachteten Ableitungen tatsächlich als partielle Ableitungen zu verstehen: E, P V, µ Im Einklang mit diesen Ableitungen findet man nun folgende infinitesimalen Veränderungen bei Variation der äußeren Parameter E, V und N: ds de + P dv µ dn (4.8) (4.7) N 4.4 Beispiel ideales Gas; Zustandsgleichungen Für das einatomige ideale Gas war die Entropie S(E, V, N) im letzten Kapitel bestimmt worden. Durch partielle Ableitungen findet man die folgenden Ergebnisse für emperatur und Druck: und P E V... 3Nk B 2E... Nk B V (4.9) (4.0) [das chemische Potenzial wird hier nicht diskutiert]. Aus Gl. (4.9) und (4.0) erhält man sofort die bekannten Zustandsgleichungen des idealen Gases, nämlich E 3 2 Nk B und pv Nk B (4.) Man beachte, dass hier zwar grundsätzlich mit E, V und N als unabhängige Variablen argumentiert wird; ist dementsprechend eine abhängige Zustandsgröße. Oftmals werden natürlich auch Veränderungen in betrachtet bzw. durch äußere Bedingungen vorgegeben; in diesem Falle muss dan z.b. die Energie als abhängige Zustandsgröße behandelt werden. Mittels der Zustandsgleichungen stehen die verschiedenen Variablen im Zusammenhang. Im Einzelfall ist genau zu überlegen, welche Variable(n) durch äußere Bedingungen kontrolliert wird/werden, und welche sich in Abhängigkeit davon auf bestimmte Werte einstellen. Ein oft genanntes Beispiel ist die adiabatische Kompression eines Gases ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung; hier wird das Volumen von außen kontrolliert, während sich Druck und emperatur in Abhängigkeit vom Volumen ändern.