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Enthalpy of Sublimation

1850

Germain Hess

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Die Sublimationsenthalpie, [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex], ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um ein Mol eines Stoffes bei einer gegebenen Temperatur vom festen in den gasförmigen Zustand umzuwandeln. DruckGemäß dem Hess'schen Satz ist die Energieänderung, da die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist, die Summe der Schmelzenthalpie ([latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]) und der Verdampfungsenthalpie ([latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]).

Die Beziehung [latex]\Delta H_{\text{sub}} = \Delta H_{\text{fus}} + \Delta H_{\text{vap}}[/latex] ist eine direkte Anwendung des Hess'schen Gesetzes der konstanten Wärmesummierung, eines grundlegenden Prinzips der Thermochemie. Dieses Gesetz besagt, dass die gesamte Enthalpieänderung während eines chemischen oder physikalischen Prozesses unabhängig vom eingeschlagenen Weg gleich ist, solange der Anfangs- und Endzustand gleich sind. In diesem Zusammenhang ist der Ausgangszustand die feste Phase und der Endzustand die Gasphase. Man kann sich zwei Wege vorstellen, um vom Festkörper zum Gas zu gelangen: einen direkten einstufigen Weg (Sublimation) oder einen zweistufigen Weg (Schmelzen des Festkörpers zu einer Flüssigkeit, dann Verdampfen der Flüssigkeit zu einem Gas).

Die Enthalpieänderung für den direkten Weg ist die Sublimationsenthalpie, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]. Die Enthalpieänderung für den zweistufigen Weg ist die Summe aus der Schmelzenthalpie ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex], für den Übergang von fest nach flüssig) und der Verdampfungsenthalpie ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex], für den Übergang von flüssig nach gasförmig). Da die Anfangs- und Endzustände für beide Wege identisch sind, schreibt das Hess'sche Gesetz vor, dass ihre gesamten Enthalpieänderungen gleich sein müssen. Dieses Prinzip ist äußerst nützlich, da es die Berechnung einer unbekannten Enthalpieänderung anhand bekannter Werte ermöglicht. Wenn zum Beispiel die Schmelz- und Verdampfungsenthalpien experimentell leichter zu messen sind als die Sublimationsenthalpie, kann letztere genau berechnet werden. Diese Daten sind für Chemieingenieure und Physiker von entscheidender Bedeutung bei der Entwicklung von Prozessen und der Modellierung physikalischer Phänomene, bei denen die Sublimation ein Schlüsselfaktor ist, z. B. bei der Materialabscheidung, der Kryotechnik und der Astrophysik.

Chemie, Kryotechnik, Energie, Enthalpie, Wärmebehandlung, Materialwissenschaft, Phasendiagramm, Prozessoptimierung, Thermodynamik

UNESCO Nomenclature: 2210

- Thermodynamik

Typ

Physikalisches Gesetz

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

Die Arbeiten von Antoine Lavoisier und Pierre-Simon Laplace über Kalorimetrie und Wärmeänderungen bei chemischen Reaktionen
the development of the concept of enthalpy (heat content)
the first law of thermodynamics (conservation of energy)

Anwendungen

calculating energy requirements for industrial freeze-drying processes
modeling the ablation of heat shields on spacecraft during atmospheric reentry
predicting the behavior of comets as they approach the sun
designing chemical purification apparatus based on sublimation
thermodynamic database development for materials science

Patente:

Potenzielle Innovationsideen

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Verwandt mit: Sublimationsenthalpie, Hesssches Gesetz, Thermochemie, Phasenübergang, Schmelzenthalpie, Verdampfungsenthalpie, Zustandsfunktion, Thermodynamik, Sublimationswärme, Energie.

Historischer Kontext

Demonstration der Joule-Erwärmung in einem historischen Labor mit elektrischen Geräten.

Joule-Wärme und elektrische Energie

Die Joule'sche Erwärmung oder ohmsche Erwärmung ist ein Phänomen, bei dem durch einen elektrischen Strom, der durch einen Leiter fließt, Wärme erzeugt wird. Die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung bzw. die Verlustleistung ([latex]P[/latex]) wird durch das erste Joule'sche Gesetz [latex]P = VI[/latex] bestimmt. Kombiniert man dies mit dem ohmschen Gesetz, kann die Leistung als [latex]P = I^2 R[/latex] oder [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex] ausgedrückt werden.

Laborgerät zur Messung der inneren Energie und der Enthalpie eines perfekten Gases in der Thermodynamik.

Innere Energie und Enthalpie eines idealen Gases

Bei einem perfekten Gas sind die innere Energie ([latex]U[/latex]) und die Enthalpie ([latex]H[/latex]) nur von der Temperatur abhängig. Ihre Änderungen sind gegeben durch [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] und [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], wobei [latex]c_v[/latex] und [latex]c_p[/latex] die spezifischen Wärmewerte bei konstantem Volumen bzw. Druck sind und als konstant angenommen werden.

Forscher testen die viskoelastischen Eigenschaften eines synthetischen Polymers im Labor.

Viskoelastizität

Viskoelastizität ist die Eigenschaft von Materialien, bei Verformung sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften zu zeigen. Viskose Materialien wie Honig widerstehen der Scherströmung und dehnen sich unter Belastung linear mit der Zeit. Elastische Materialien wie ein Gummiband dehnen sich beim Dehnen und kehren nach Wegfall der Belastung schnell in ihren Ausgangszustand zurück. Viskoelastische Materialien weisen beide Eigenschaften auf.

Enthalpy of Sublimation

Ingenieure konstruieren in einem Labor einen effizienten Wärmemotor, der die Anwendungen der Thermodynamik veranschaulicht.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz führt das Konzept der Entropie ein und definiert die Richtung spontaner Prozesse. Er lässt sich auf verschiedene Weise formulieren, eine wichtige Konsequenz ist jedoch, dass die Gesamtentropie eines isolierten Systems im Laufe der Zeit niemals abnehmen kann. Dieses Gesetz erklärt den „Zeitpfeil“ und warum Prozesse irreversibel sind, wie beispielsweise der spontane Wärmefluss von einem heißen zu einem kalten Körper.

Laborszene zur Veranschaulichung thermodynamischer Experimente mit dem Modell des perfekten Gases.

Das perfekte Gasmodell

Ein perfektes Gas ist ein theoretisches Modell eines Gases, bei dem die zwischenmolekularen Kräfte vernachlässigt werden und die spezifischen Wärmekapazitäten ([latex]C_P[/latex] und [latex]C_V[/latex]) als konstant in Bezug auf die Temperatur angenommen werden. Dies vereinfacht die thermodynamischen Berechnungen erheblich. Es handelt sich um einen Sonderfall des idealen Gases, bei dem die spezifischen Wärmekapazitäten mit der Temperatur variieren können, so dass es sich um ein stärker eingeschränktes Modell handelt.

Laborszene aus dem 19. Jahrhundert mit Ludwig Boltzmann, der das ideale Gasgesetz in der statistischen Thermodynamik untersucht.

Ideales Gasgesetz (statistische Form)

Die statistische Mechanik, die das Gesetz des idealen Gases formuliert, drückt die Beziehung in Bezug auf die mikroskopischen Eigenschaften des Gases aus. Es setzt Druck ([latex]P[/latex]) und Volumen ([latex]V[/latex]) über die Boltzmann-Konstante ([latex]k_B[/latex]) mit der Gesamtzahl der Teilchen ([latex]N[/latex]) und der absoluten Temperatur ([latex]T[/latex]) in Beziehung: [latex]PV = Nk_BT[/latex].

1841

1845

1850

1839-01-01

1842

1847

1850

Sonnenkollektoranlage zur Demonstration des photovoltaischen Effekts in der Festkörperphysik.

Der Photovoltaik-Effekt

Der Photovoltaikeffekt ist die Erzeugung von Spannung und elektrischem Strom in einem Material bei Lichteinwirkung. Es handelt sich um ein physikalisches und chemisches Phänomen. Eine häufige Anwendung ist die Solarzelle, die diesen Effekt nutzt, um Sonnenlicht direkt in Strom umzuwandeln. Der Effekt beruht darauf, dass Lichtphotonen Elektronen in einen höheren Energiezustand versetzen.

Labor aus dem 19. Jahrhundert mit thermodynamischen Instrumenten und den Mayerschen Beziehungsgleichungen.

Mayersche Relation (Thermodynamik)

Die Mayersche Beziehung verbindet die spezifischen Wärmen eines perfekten Gases mit der spezifischen Gaskonstante ([latex]R_s[/latex]). Die Beziehung lautet [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Für molare spezifische Wärmewerte ([latex]C_p[/latex] und [latex]C_v[/latex]) lautet die Beziehung [latex]C_p - C_v = R[/latex], wobei [latex]R[/latex] die universelle Gaskonstante ist. Dies zeigt, dass [latex]c_p[/latex] immer größer ist als [latex]c_v[/latex].

Energieerhaltung

Ein Grundprinzip, das besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten Systems über die Zeit konstant bleibt. Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden, z. B. von potenzieller in kinetische Energie. In der klassischen Mechanik bleibt für Systeme mit ausschließlich konservativen Kräften die gesamte mechanische Energie [latex]E = T + V[/latex] erhalten.

Laboraufbau zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen in der Thermodynamik.

Temperaturabhängigkeit der Viskosität

Bei einer newtonschen Flüssigkeit ist die Viskosität eine Funktion von Temperatur und Druck, nicht jedoch von der Schergeschwindigkeit. In Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur deutlich ab, da Moleküle bei höherer thermischer Energie die intermolekularen Kohäsionskräfte leichter überwinden können. Umgekehrt steigt in Gasen die Viskosität mit der Temperatur, da häufigere Molekülkollisionen bei höheren Geschwindigkeiten zu einer stärkeren Impulsübertragung führen.

Laborexperiment zur Veranschaulichung des Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik mit einem Wärmekraftmaschinenaufbau.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Das erste Gesetz ist eine Aussage über die Erhaltung der Energie. Es besagt, dass die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems ([latex]\Delta U[/latex]) gleich der dem System zugeführten Wärme ([latex]Q[/latex]) abzüglich der vom System in seiner Umgebung verrichteten Arbeit ([latex]W[/latex]) ist. Die maßgebliche Gleichung lautet [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Dieses Gesetz stellt eine Verbindung zwischen Wärme, Arbeit und innerer Energie her und weist Wärme als eine Form der Energieübertragung aus.

Chemiker bei Experimenten mit Katalysatoren in einem historischen Labor, 1850.

Katalysator im chemischen Gleichgewicht

Ein Katalysator erhöht die Geschwindigkeit sowohl der Hin- als auch der Rückreaktion gleichermaßen, indem er einen alternativen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie bereitstellt. Ein Katalysator ermöglicht es einem System zwar, das Gleichgewicht deutlich schneller zu erreichen, verändert jedoch nicht die Lage des Gleichgewichts selbst. Die Gleichgewichtskonzentrationen der Reaktanten und Produkte sowie der Wert der Gleichgewichtskonstante K bleiben unverändert.

Chemiker aus dem 19. Jahrhundert, der das Gasvolumen misst, um das ideale Gasgesetz in der Thermodynamik zu veranschaulichen.

Ideales Gasgesetz (Molarform)

Das ideale Gasgesetz ist die Zustandsgleichung für ein hypothetisches ideales Gas, die das Verhalten vieler Gase unter verschiedenen Bedingungen annähernd beschreibt. Die molare Form setzt Druck ([latex]P[/latex]), Volumen ([latex]V[/latex]), Stoffmenge in Molen ([latex]n[/latex]) und absolute Temperatur ([latex]T[/latex]) über die universelle Gaskonstante ([latex]R[/latex]) in Beziehung: [latex]PV = nRT[/latex].

Laborgerät zur Messung von Dampfdruck und Temperatur in der Thermodynamik.

Clausius-Clapeyron-Beziehung

Die Clausius-Clapeyron-Beziehung beschreibt die Beziehung zwischen Druck und Temperatur für einen Stoff an einem Phasenübergang, z. B. zwischen Flüssigkeit und Dampf. Für Wasserdampf zeigt sie, dass der Sättigungsdampfdruck exponentiell mit der Temperatur ansteigt. Die Näherungsform lautet [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], wobei L die latente Wärme ist.

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)