6.2: Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Energieerhaltung

Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden, aber die Gesamtenergie die vor einer Änderung vorhanden ist, existiert immer in einer gewissen Form weiter nachdem die Änderung abgeschlossen wurde. Diese Beobachtung kommt im Energieerhaltungssatz zum Ausdruck: Bei einer chemischen oder physikalischen Veränderung kann Energie weder erzeugt noch vernichtet, aber in ihrer Form verändert werden.

Nach dem Massenerhaltungssatz gibt es bei einer chemischen Veränderung keine nachweisbare Änderung der Gesamtmenge der Materie. Bei chemischen Reaktionen sind die Energieänderungen relativ gering und die Massenänderungen zu klein um gemessen werden zu können. Somit gelten die Gesetze der Erhaltung von Materie und Energie. Bei Kernreaktionen sind die Energieänderungen jedoch bedeutend größer (um Faktoren von etwa einer Million), die Massenänderungen sind messbar und die Masse-Energie-Umwandlungen sind signifikant.

Energieübertragung und innere Energie

Stoffe fungieren als Energiespeicher, das heißt, dass ihnen Energie zugeführt oder entzogen werden kann. Energie wird in einem Stoff gespeichert, wenn die kinetische Energie seiner Atome oder Moleküle erhöht wird. Die größere kinetische Energie kann in Form erhöhter Translationen (geradlinige Bewegung), Vibrationen oder Rotationen der Atome oder Moleküle vorliegen. Wenn Wärmeenergie verloren geht, nimmt die Intensität dieser Bewegungen ab und die kinetische Energie sinkt.

Die Gesamtheit aller möglichen Arten von Energie, die in einer Substanz vorhanden sind, wird als innere Energie (U) bezeichnet, manchmal auch als E symbolisiert.

Wenn sich ein System verändert, kann sich seine innere Energie ändern und Energie kann vom System auf die Umgebung oder von der Umgebung auf das System übertragen werden. Somit erfährt auch die Umgebung eine gleich große und gegensätzliche Veränderung ihrer Energie.

Innere Energie ist ein Beispiel für eine Zustandsfunktion (oder Zustandsvariable), während Wärme und Arbeit keine Zustandsfunktionen sind. Der Wert einer Zustandsfunktion hängt nur vom Zustand ab, in dem sich ein System befindet, und nicht davon, wie dieser Zustand erreicht wurde. Wenn eine Größe keine Zustandsfunktion ist, hängt ihr Wert davon ab, wie der Zustand erreicht wird. Ein Beispiel für eine Zustandsfunktion ist die Höhe. Wenn man auf dem Gipfel des Kilimandscharo in einer Höhe von 5895 m steht, spielt es keine Rolle, wie man ihn erreicht hat, ob jemand dorthin gewandert oder mit dem Fallschirm gesprungen ist. Die bis zum Gipfel des Kilimandscharo zurückgelegte Distanz ist jedoch keine Zustandsfunktion. Den Gipfel könnte man auf direktem oder über einen eher umständlichen Weg erreichen. Somit würden sich die zurückgelegten Distanzen unterscheiden (Distanz ist keine Zustandsfunktion); die erreichte Höhe wäre jedoch dieselbe (Höhe ist eine Zustandsfunktion).

Dieser Text wurde angepasst von OpenStax Chemistry 2e, Section 5.1: Energy Basics and OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

Wenn Benzin einen Automotor antreibt, wird die erzeugte Energie als Wärme und Arbeit freigesetzt. Im Verbrennungsmotor eines Autos ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch eine chemische Energie, die eine Art von potentieller Energie ist, enthalten. Diese potentielle Energie wird dann durch eine Verbrennungsreaktion, die Wärme erzeugt, in kinetische Energie umgewandelt.

Die Wärme, die von der Reaktion ausgeht, wird dann durch die sich ausdehnenden heißen Gase in Arbeit umgewandelt und drückt auf dem Kolben, der dann die Kurbelwelle dreht, was letztendlich das Auto in Bewegung bringt. All diese Energieumwandlungen müssen dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik folgen-Energie wird immer konserviert und kann weder erzeugt noch zerstört werden. Bei der Untersuchung von Energieveränderungen in einem System, müssen alle Energiequellen berücksichtigt werden, einschließlich Potential-und kinetische Energie.

Die Gesamtenergie innerhalb eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt wird die innere Energie genannt, die das Symbol U hat, oder manchmal als großes E dargestellt wird. Die innere Energie eines Systems kann sich verändern. Die innere Energie eines vollgetankten Autos sein Anfangszustand unterscheidet sich von der Gesamtenergie während das Auto läuft und ist wieder anders, wenn der Tank leer ist sein Endzustand.

Ob der gesamte Kraftstoff zum Fahren von 300 oder 50 Meilen verwendet wird, ist irrelevant wenn der Tank leer ist, erreicht das Auto einen neuen inneren Zustand. Die innere Energie wird also als Zustandsfunktion beschrieben, die nicht davon betroffen ist, wie das System in seinem gegenwärtigem Zustand zustande kam. Daher wird die Veränderung der inneren Energie eines Systems, delta U, als die Differenz zwischen den Werten seines End-und Anfangszustandes gemessen.

Weil Energie konserviert wird, muss die Veränderung in der inneren Energie eines Systems von einer gleichberechtigten und entgegengesetzten Veränderung der Energie der Umgebung begleitet werden. In chemischen Systemen ist die Veränderung der inneren Energie durch die Differenz des Ausgangszustands des Reaktanten und den Endzustand des Produkts beschrieben. Sie wird verwendet, um den Energiefluss eines Systems zu verstehen.