Thermodynamik irreversibler Prozesse

Vorlesung 6. Semester Chemie

Inhalt

1. Einführung
2. Phänomenologische Gesetze der irreversiblen Thermodynamik
2.1. Entropieproduktion
2.2. Linearer Zusammenhang zwischen Flüssen und Kräften
2.3. Stationäre Zustände
2.4. Prinzip der minimalen Entropieproduktion
3. Zusammenhang der Wahl der Kräfte und Flüsse mit den Bilanzgleichungen
3.1. Allgemeine Bilanzgleichung für die Entropie
3.2. Kontinuitätsgleichung
3.3. Bilanz der inneren Energie
3.4. Bilanz der kinetischen Energie
3.5. Impulsbilanz
3.6. Darstellung der Entropieproduktion
4. Diffusionsgesetze nach Fick
4.1. Allgemeine Formulierung des 1. und 2. Fickschen Gesetzes
4.2. Lösung der Differentialgleichung für spezielle Fälle
5. Grundlagen der Rheologie
5.1. Konstitutionsgleichungen
5.2. Messung rheologischer Materialparameter
6 .Effekte der nichtlinearen irreversiblen Thermodynamik
6.1.Allgemeine nichtlineare Beziehungen
6.2.Autokatalyse und Belousov-Zhabotinski-Reaktion
6.3. Benard-Zellen

Literaturempfehlungen

- H.-W. Kammer, K. Schwabe, Einführung in die Thermodynamik irreversibler Prozesse
Akademie-Verlag Berlin 1984
- R. Haase, Transportvorgänge, Steinkopff, Darmstadt 1973
- A. Höpfner, Irreversible Thermodynamik für Chemiker, deGruyter 1976
- B. Baranowski,Nichtgleichgewichtsthermodynamik in der physikalischen Chemie
VEB Deutscher Verlag f. Grundstoffindustrie 1975
- S. R. de Groot, P. Mazur, Non-equilibrium Thermodynamics, Dover Publ. 1984

Mathematische Voraussetzungen

- Differential- und Integralrechnung von Funktionen mehrerer Variablen
- Linien-, Oberflächen-, Volumenintegrale
- Vektoranalysis
- Algebra 2-stufiger Tensoren
- Lösung gewöhnlicher Differentialgleichungen mit Randwert- und Anfangsbedingungen

1. Einführung

Begriffe

Relaxationsprozesse
Chemische Prozesse
Transportprozesse
Räumliche und zeitliche Strukturbildung
Irreversibilität
Energiedissipation
Entropieproduktion
Mathematische Besonderheiten irreversibler Prozesse
Thermodynamik von Nichtgleichgewichtszuständen
Lokales und globales Gleichgewicht

2. Phänomenologische Gesetze der irreversiblen Thermodynamik

Begriffe

- Isoliertes, geschlossenes, abgeschlossenes, offenes System
- Entropiebilanzgleichung
- Molare, spezifische, intensive, extensive Größen
- Totaler Entropiefluss
- Konvektiver Entropiefluss
- Gibbssche Fundamentalgleichung
- Korrespondierende Kräfte und Flüsse
- Phänomenologische Gleichung nach Onsager
- Ohmsches, Ficksches Gesetz, Wärmeleitungsgleichung, Newtonsche Gleichung in der Onsagerschen Form
- Koeffizientenmatrix, Onsager-Koeffizienten
- Kreuzeffekte
- Curie-Prinzip
- Soret-Effekt, Dufour-Effekt
- Seebeck-Efekt, Peltier-Effekt
- Kreuzeffekte zwischen chemischen Reaktionen
- Stationäre Zustände n-ten Grades
- Prinzip der minimalen Entropieproduktion

3. Zusammenhang der Wahl der Kräfte und Flüsse mit den Bilanzgleichungen

Begriffe

- Allgemeine Bilanzgleichung skalarer und vektorieller Größen
- Kontinuitätsgleichung für ein- und mehrkomponentige Flüssigkeiten
- Berücksichtigung chemischer Reaktionen in der Massenbilanz
- substantielle und lokale Ableitungen
- konvektiver und diffusiver Strom
- konvektiver Strom der inneren Energie
- Wärmestrom
- Qellterm
- konservatives System
- Impulsstromdichtetensor

4. Diffusionsgesetze nach Fick

Begriffe

- 1. und 2. Ficksches Gesetz
- Diffusion durch endlich dicke Platte
- Diffusion im dreidimensionalen Raum
- Diffusion in einer Raumrichtung
- Fehlerfunktion

5. Grundlagen der Rheologie

Begriffe

- Newtonsche und nichtnewtonsche Flüssigkeiten
- Schubspannung
- Deformationsgeschwindigkeit
- Scherviskosität
- Volumenviskosität
- rheologische Konstitutionsgleichung
- Fließkurve
- pseudoplastisch, dilatant
- rheopex, thixotrop
- stationäre Strömung
- Viskosimetertypen

6.Effekte der nichtlinearen irreversiblen Thermodynamik

Begriffe

- allgemeine nichtlineare Zusammenhänge zwischen Strömen und Kräften
- Formalkinetik der Autokatalyse
- Chemie der Belousov-Zhabotinski-Reaktion
- Lotka-Volterra-Prozess
- Benard-Effekt
- Marangoni-Effekt