1. Hauptsatz der Thermodynamik einfach erklärt + Enthalpie

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist sowohl für die Chemie als auch für die Physik von grundlegender Bedeutung. Wollen wir uns vor dem 1. Hauptsatz erst einmal verschiedenen Begriffen widmen. Wir wissen, dass uns Energie in den unterschiedlichsten Erscheinungsformen begegnen kann.

Einführung: Verschiedene Formen der Energie

Zuerst wäre natürlich die mechanische Energie zu nennen. Sie begegnet uns in Form von kinetischer oder potenzieller Energie. Beispielsweise hat ein fahrendes Auto eine bestimmte Energie. Diese Energie nimmt das Auto aus der chemischen Energie des Treibstoffs. Diese wird durch die Verbrennung im Motor freigesetzt und letzten Endes in kinetische Energie verwandelt.

Halten wir eine angeknipste Taschenlampe in den dunklen Nachthimmel, dann wandeln wir die elektrische Energie, die in den Akkus gespeichert ist, in elektromagnetische Energie um. Diese tritt in Form von Licht oder Strahlung auf.

Um den Hauptsatz der Thermodynamik gut verstehen zu können, müssen wir noch den Begriff der inneren Energie klären. Unter der inneren Energie versteht man grundsätzlich die gesamte Energiemenge, die in einem System enthalten ist.

1. Hauptsatz der Thermodynamik einfach erklärt

Der 1. Hauptsatz besagt, dass man Energie nicht vernichten oder erzeugen kann. Die Energie kann lediglich seine Erscheinungsform wechseln.

Um das besser verstehen zu können, betrachten wir einfach wieder das Beispiel mit dem fahrenden Auto: Die chemische Energie, die im Benzin oder dem Diesel gespeichert ist, wechselt seine Erscheinungsform und ist in Form von kinetischer Energie (Bewegungsenergie) sichtbar.

Als Folgerung dieses Hauptsatzes kann man also sagen, dass die innere Energie (bezeichnen wir diese mit „U“) in einem abgeschlossenen System konstant, d.h. seine Änderung gleich 0 ist. Wir können also festhalten:

und

Der Begriff „abgeschlossenes System“ bedeutet hierbei, dass keine Energie nach außen entweichen kann. Bildlich kann man sich ein solches abgeschlossenes System wie ein Glashaus vorstellen. Würde man hier Treibstoff verbrennen, würde sich das Glashaus erwärmen, da die erzeugte Wärme nicht nach außen entweichen kann.

Somit wird die chemische Energie des Treibstoffs in thermische Energie umgewandelt. Die Summe der inneren Energie bleibt jedoch gleich. Chemiker erklären eine solche Erhöhung der thermischen Energie übrigens als eine höhere Eigenbewegung der Teilchen.

Enthalpie einfach erklärt

Befasst man sich mit dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik, so ist es sinnvoll auch die Enthalpie miteinzubeziehen. Diese wird oftmals auch als eine Maßeinheit für die Energie eines Systems verwendet.

Die Enthalpie H beschreibt die bei einem unter konstantem Druck ablaufenden Prozess umgesetzte Wärme, die wir als q bezeichnen. Somit kann man die Änderung der Enthalpie als die bei konstantem Druck aufgenommene bzw. abgegebene Wärme bezeichnen. Gilt nimmt das System Wärme aus der Umgebung auf und der Prozess heißt endotherm.

Gilt hingegen kleiner 0 gibt das System Wärme an die Umgebung ab und man nennt diesen Prozess exotherm. Auch bei chemischen Reaktionen treten Enthalpie-Änderungen auf, die man als Reaktionsenthalpie bezeichnet.

Diese berechnet sich aus:

Also genau die Enthalpie der Produkte abzüglich der Enthalpie der Edukte. Man misst die Enthalpie in der Einheit Kilojoule kJ. Betrachten wir als Beispiel die bekannte Knallgasprobe, die als Nachweis für Wasserstoff verwendet wird.

Die Reaktionsgleichung hierfür lautet:

Bei dieser Reaktion wird bei der Bildung von 2 mol Wasser (gasförmig) eine Energie von 483,6 kJ frei.

Das heißt:

Wir erkennen bereits am Vorzeichen der Reaktionsenthalpie, dass bei dieser Reaktion Energie frei wird. Dies sieht man auch bei der Durchführung des Versuchs. Reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff, geschieht das explosionsartig mit einem lauten Knall.