5.1.4 Merkpunkte zu Kapitel 5.1: Mechanisches, thermisches, chemisches und thermodynamisches Gleichgewicht

Ein Teilchen, oder auch ein ganzes System von Teilchen, befindet sich im Gleichgewicht, falls sich "nichts" mehr ändert.
Mechanisches Gleichgewicht
Bei einem klassischen "System" aus nur einem Teilchen ("Massenpunkt") herrscht Gleichgewicht, falls sich das Teilchen im Minimum der potentiellen Energie befindet und jede Bewegung durch Reibung beendet ist.  
"Treibende Kraft" in Richtung Gleichgewicht ist dabei die Minimierung der Energie.
     
Systeme vieler miteinander wechselwirkender mikroskopischer Teilchen müssen durch geeignete makroskopische (meßbare) Größen oder Zustandsvariablen beschrieben werden, die das System hinreichend charakterisieren.
Zustandsvariable sind beispielsweise:
  • Temperatur
  • Druck
  • Teilchenzahl
Im umfassenden thermodynamischen Gleichgewicht ändern sich diese Zustandsvariablen nicht mehr.  
Treibende Kraft in Richtung Gleichgewicht ist nicht nur die Minimierung der Energie, sondern auch die Maximierung von "Unordnung".  
   
Thermisches Gleichgewicht bedingt dieselbe Temperatur T, mechanisches Gleichgewicht denselben Druck p überall im System.  

Mechanisches und thermisches
und chemisches Gleichgewicht

= thermodynamisches Gleichgewicht


Mischung
Chemisches Gleichgewicht bedeutet, dass sich die Teilchenzahlen ni nicht mehr ändern.  
Beispiele:
  • Zwei Gase mischen sich bis die (mittlere) Teilchenzahl überall dieselbe ist.
  • Salz löst sich in Wasser - bis "Sättigung", d.h. chemisches Gleichgewicht erreicht ist. Die Zahl der gelösten Ionen ändert sich nicht mehr.
 
Ein "Teilchen" kann dabei vielerlei sein, z.B. ein Atom, Ion oder Molekül; aber auch ein Elektron, Photonen, Phonon, Defektelektron (= "Loch"), usw.  
Der Begriff chemisches Gleichgewicht ist deshalb etwas mißdeutig; besser wäre "Teilchenzahlgleichgewicht".  
   
Was wir brauchen ist ein thermodynamisches Potential F = F(Zustandsvariablen) in Analogie zum rein mechanischen Potential.  
Gleichgewichtsbedingung für thermodynamisches
Gleichgewicht:
DF  =  F  
n1
· Dn1  +  F  
n2
· Dn2  + 
n2 
· Dn3   +  .....  = 0
Thermodynamisches Gleichgewicht liegt dann vor, falls F ein Minimum hat  
     
Das Gleichgewicht in einem Systeme vieler Teilchen ist ein dynamisches Gleichgewicht.  
Dynamisches Gleichgewicht
Nur makroskopisch ändert sich nichts, mikroskopisch kann es trotzdem große Änderungen geben, die sich aber (im Mittel) exakt kompensieren.  
Beispiele:
  • Salzauflösung: Zahl der Na+ Ionen die in Lösung gehen = Zahl der Na+ Ionen, die sich am Kristall binden.
  • Girokonto: Abhebungen = Einzahlungen.
  • Strom: Elektronenfluß nach rechts = Elektronenfluß nach links.
 

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© H. Föll (MaWi 1 Skript)