Kurs:Allgemeine Größen in der physikalischen Chemie

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Dieser Kurs gehört zum Fachbereich Chemie.

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Inhaltsverzeichnis

1 Allgemeine Größen in der physikalischen Chemie

[Bearbeiten] Allgemeine Größen in der physikalischen Chemie

[Bearbeiten] Einleitung

In diesem Kurs sollen die in der physikalischen Chemie am häufigsten (sowohl in der Theorie als auch in der experimentellen Praxis) verwendeten Größen aufgeführt und definiert werden. Es sei empfohlen, zunächst die Einführung in die physikalische Chemie zu lesen, um eine Grundvorstellung vom Wesen der physikalischen Chemie zu erhalten, bevor man sich an diesen Kurs begibt. Am Ende des Kurses werden Übungen folgen, mit denen das Umrechnen von Einheiten eingeübt werden soll.

[Bearbeiten] SI-Einheiten

Bevor überhaupt über verwendete Messgrößen gesprochen werden kann, sollten die SI-Einheiten (SI = Systeme International) eingeführt werden. Bei diesen handelt es sich um international vereinbarte, standardisierte und genau definierte Einheiten. Es gibt 7 Basiseinheiten, die 7 Basisgrößen der Physik beschreiben. Die Einheiten aller weiteren Größen lassen sich aus den 7 SI-Einheiten bilden. Die 7 Basiseinheiten sind:

[Bearbeiten] Meter

Die Einheit der Länge (Symbol: $l$ ), einer Basisgröße der Physik, welche sich selbst erklären sollte. Die offizielle SI-Definition lautet wie folgt: "Das Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299792458 Sekunde durchläuft."

Einheitensymbol: [m]

(Einheiten werden der Konvention folgend in eckigen Klammern angegeben)

[Bearbeiten] Kilogramm

Die Einheit der Masse (Symbol: $m$ ), einer weiteren Basisgröße. Die offizielle SI-Definition lautet: "Das Kilogramm ist die Masse des internationalen Kilogrammprototyps."

Einheitensymbol: [kg]

[Bearbeiten] Sekunde

Die Einheit der Zeit (Symbol: $t$ ). Die offizielle SI-Definition lautet: "Die Sekunde ist die Dauer von 9192631770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Atoms Caesium 133 entspricht". Die Begriffe "Grundzustand" und "Strukturniveau" sollten in der Wikipedia nachgeschlagen werden. Weitere Informationen können womöglich im Fachbereich Physik der Wikiversity gefunden werden.

Einheitensymbol: [s]

[Bearbeiten] Ampere

Die Einheit der Stromstärke (Symbol: $I$ ). Strom, was man sich wörtlich als einen Strom von Elektronen fließt durch einen Leiter zwischen zwei Polen, an denen verschiedene elektromagnetische Potentiale auftreten (elektrische Spannung). Strom fließt immer vom größeren zum kleineren Potential. Die offizielle SI-Definiton lautet: "Das Ampere ist die Stärke des zeitlich unveränderten elektrischen Stromes durch zwei geradlinige, parallele, unendlich lange Leiter von vernachlässigbarem Querschnitt, die den Abstand 1 m haben und zwischen denen die durch den Strom elektrodynamisch hervorgerufene Kraft im leeren Raum je 1 m Länge der Doppelleitung $2 \cdot 10^{-7}$ $\mathbf N$ (Newton) beträgt."

Einheitensymbol: [A]

[Bearbeiten] Kelvin

Die Einheit der Temperatur (Symbol: $T$ in Kelvin, $Θ$ in Grad Celsius)(Erklärung siehe weiter unten). Die offizielle SI-Definition lautet: "Das Kelvin ist 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser."

Einheitensymbol: [K]

[Bearbeiten] Mol

Die Einheit der Stoffmenge (Symbol: $n$ ). Die Stoffmenge ist ganz einfach die Anzahl der Teilchen (Atome, Elektronen, Moleküle...) in einem beliebigen System. Die offizielle SI-Definition lautet: "Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 kg des Kohlenstoffnuklids $12 C$ enthalten sind."

Diese Anzahl ist die Avogadro-Konstante, nämlich: $6,022 \cdot 10^{23}$ (grob!)

Einheitenzeichen: [mol]

[Bearbeiten] Candela

Die Einheit der Lichtstärke, in der Praxis kaum verwendet. Die offizielle SI-Definition lautet: "Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz $540 \cdot 10^{12}$ Hertz aussendet und deren Strahlstärke in diese Richtung $\frac 1 {683}$ Watt durch Steradiant beträgt."

Einheitenzeichen: [cd]

Während das Candela für uns als angehende Physiko-Chemiker nicht relevant ist, werden aus den anderen SI-Einheiten die Einheiten aller in der PC zu messenden Größen ausgedrückt.

[Bearbeiten] Verwendete Messgrößen

[Bearbeiten] Temperatur

Eine der am häufigsten verwendeten Größen ist die Temperatur. Diese ist im Grunde genommen ein Maß für die innere Energie eines Systems (für den Begriff System siehe: Einführung in die physikalische Chemie). Je höher diese Energie ist, desto schneller bewegen sich die Moleküle (für einen Ausblick siehe die Wikipedia-Artikel: Brownsche Eigenbewegung und Freiheitsgrad) und desto mehr Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben. Diese wird als Temperatur registriert. Die Einheit für die Temperatur in der Physik / physikalischen Chemie (auch thermodynamische Temperatur genannt) ist das Kelvin [ $\mathbf K$ ]. Das Symbol der Größe selbst ist $T$ . Die Definition der Einheit ist oben angegeben.

In der Praxis wird die Temperatur jedoch nicht in Kelvin, sondern in Grad Celsius (Einheit: [ $\,^{\circ}\mathrm{C}$ ] ) angegeben. Celsius und Kelvin lassen sich anhand folgender Beziehung aber problemlos ineinander umrechnen:

T

=

Θ

+ 273,15

Das Symbol für in [ $\,^{\circ}\mathrm{C}$ ] angegebene Temperatur ist $Θ$ .

[Bearbeiten] Druck

Eine weitere Größe ist der Druck. Vereinfacht gesagt ist der Druck die Kraft, die sich frei bewegende Gasmoleküle auf eine Fläche (z.B. die Wand eines Behälters) ausüben, wenn sie an die Wand stoßen und abprallen (genauer gesagt geht es um die Impulsänderung der Moleküle, aber diese Erklärung ist für uns Chemiker unnötig kompliziert, Interessierte mögen auf den Fachbereich Physik zurückgreifen).

Daraus kann man sehen, dass der Druck in einem System von 3 Variablen abhängt: Temperatur, Volumen und Stoffmenge, d.h. Teilchenanzahl. Das ist logisch: in einem Behälter bewegen sich Teilchen schneller, wenn die Temperatur höher ist. Ist das Volumen konstant, steigt also der Druck, weil die Teilchen wegen der schnelleren Bewegung pro Zeiteinheit häufiger gegen die Wand prallen als bei einer niedrigeren Temperatur. Wenn sich hingegen z.B. das Volumen vergrößert, aber die Temperatur konstant bleibt, müssen die Teilchen größere Wegstrecken zurücklegen, als früher, und treffen somit seltener auf die Wand auf - der Druck sinkt. Die Auswirkungen der Stoffmenge möge sich der Leser selber überlegen.

Das Symbol für den Druck als Größe ist $p$

Der Druck ist, wie aus obiger Erklärung ersichtlich, physikalisch als "Kraft pro Fläche" definiert. Die Einheit heißt Pascal und trägt das Symbol:

[ $\mathbf {Pa}$ ]

und wird in SI-Einheiten als

[ $\frac {\mathrm {kg}} {\mathrm m \cdot \mathrm s^{2}}$ ]

sprich: "Kilogramm pro Meter mal Quadratsekunde"

ausgedrückt.

Für den Druck existieren noch weitere Einheiten, die jedoch nicht aus SI-Basiseinheiten gebildet sind und daher eigentlich unzulässig sind, aber dennoch weitverbreitet benutzt werden. Diese sind z.B. das Bar, am häufigsten neben Pascal benutzt, das Torr oder das atm.

Für Bar und atm gelten folgende Umrechnungsfaktoren in Pascal:

$\mathbf 1$ $\mathbf {bar}$ = $\mathbf {10^{5}}$ $\mathbf {Pa}$

$\mathbf 1$ $\mathbf {atm}$ = $\mathbf {1,013}$ $\mathbf {bar}$

[Bearbeiten] Volumen

Das Volumen (Symbol: $V$ ) ist eigentlich im Regelfall keine veränderliche Größe, zumindest keine, die sich so leicht wie z.B. Temperatur oder Druck messen lässt. Es spielt jedoch bei in der Thermodynamik z.B. in der idealen Gasgleichung und in den Gasgesetzen als Variable eine wesentliche Rolle. Die physikalische Größe Volumen ist eigentlich selbsterklärend: Es beschreibt den Raum, den ein beliebiges Objekt in einem System einnimmt.

Die Einheit des Volumens ist die dritte Potenz der SI-Basiseinheit "Meter", das sogenannte Kubikmeter:

[ $\mathbf {m^{3}}$ ]

In der Praxis wird das Volumen jedoch oft in Liter (Symbol: L) angegeben. Diese Angaben müssen dann zunächst in Kubikmeter umgerechnet werden.

[ ${1 \text{ L}=1 \text{ dm}^{3}=1 \cdot 10^{-3} \text{ m}^{3}}$ ]