In diesem Modul machen wir uns mit Gasen und insbesondere mit dem Konzept der "Zustandsgleichung" vertraut, die eine mathematische Beziehung zwischen Druck, Volumen, Temperatur und Anzahl der Teilchen für ein bestimmtes Gas ausdrückt. Wir werden uns mit der idealen, der van der Waals- und der virialen Zustandsgleichung sowie mit anderen Gleichungen beschäftigen. Die Verwendung von Zustandsgleichungen zur Vorhersage von Flüssigkeits-Dampf-Diagrammen für reale Gase wird ebenso erörtert wie die Gemeinsamkeiten des Verhaltens von realen Gasen, wenn sie entsprechenden Zustandsbedingungen ausgesetzt sind. Abschließend werden wir untersuchen, wie die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen in realen Gasen, die in idealen Gasen definitionsgemäß nicht vorhanden sind, zu Variationen der Gaseigenschaften und des Verhaltens führen. Anhand von Hausaufgaben haben Sie die Möglichkeit, die Beherrschung der oben genannten Konzepte zu demonstrieren.

Dieses Modul befasst sich mit den Konzepten von Ensembles und den statistischen Wahrscheinlichkeiten im Zusammenhang mit der Besetzung von Energieniveaus. Die Partitionsfunktion, die für die Thermodynamik das ist, was die Wellenfunktion für die Quantenmechanik ist, wird eingeführt und es wird beschrieben, wie die Ensemble-Partitionsfunktion aus atomaren oder molekularen Partitionsfunktionen für ideale Gase zusammengestellt werden kann. Die Komponenten, die zu molekularen Partitionsfunktionen für ideale Gase beitragen, werden ebenfalls beschrieben. Anhand spezifischer Verteilungsfunktionen werden die thermodynamischen Eigenschaften des Ganzen, wie die innere Energie und die Wärmekapazität bei konstantem Volumen, hergeleitet. Anhand von Hausaufgaben können Sie zeigen, dass Sie die Anwendung der oben genannten Konzepte beherrschen.

In diesem Modul werden spezifische molekulare Eigenschaften mit den zugehörigen molekularen Verteilungsfunktionen verknüpft. Insbesondere werden wir Verteilungsfunktionen für atomare, zweiatomige und polyatomare ideale Gase ableiten und untersuchen, wie ihre quantisierten Energieniveaus, die von ihren Massen, Trägheitsmomenten, Schwingungsfrequenzen und elektronischen Zuständen abhängen, den Wert der Verteilungsfunktion bei gegebener Wahl von Temperatur, Volumen und Anzahl der Gasteilchen beeinflussen. Wir werden konkrete Beispiele untersuchen, um zu sehen, wie einzelne molekulare Eigenschaften die zugehörigen Verteilungsfunktionen und damit die thermodynamischen Eigenschaften beeinflussen. Anhand von Hausaufgaben haben Sie die Möglichkeit, die Anwendung der oben genannten Konzepte zu demonstrieren.

Dieses Modul ist das umfangreichste des Kurses, daher sollten Sie sich in dieser Woche etwas mehr Zeit nehmen, um das gesamte Material durchzuarbeiten. Wir werden den ersten Hauptsatz der Thermodynamik kennenlernen und die Natur der inneren Energie, der Wärme und der Arbeit diskutieren. Insbesondere werden wir uns auf die innere Energie als Zustandsfunktion und Wärme und Arbeit als Pfadfunktionen konzentrieren. Wir werden untersuchen, wie Gase Druck-Volumen-Arbeit (PV) verrichten können (oder verrichtet haben) und wie die Art der Gasexpansion (oder -kompression) diese Arbeit sowie die mögliche Wärmeübertragung zwischen dem Gas und seiner Umgebung beeinflusst. Wir werden die Details des Drucks auf molekularer Ebene untersuchen, die seine Ableitung aus der Verteilungsfunktion ermöglichen. Schließlich werden wir eine weitere Zustandsfunktion, die Enthalpie, und die mit ihr verbundene Wärmekapazität bei konstantem Druck sowie ihre Nützlichkeit im Zusammenhang mit der Vorhersage von thermochemischen Standardreaktionen oder Phasenänderungen betrachten. Anhand von Hausaufgaben haben Sie die Möglichkeit, die Beherrschung der oben genannten Konzepte zu demonstrieren.

In diesem Modul wird eine neue Zustandsfunktion, die Entropie, eingeführt, die in vielerlei Hinsicht konzeptionell anspruchsvoller ist als die Energie. Die Beziehung der Entropie zum Ausmaß der Unordnung wird hergestellt und ihre Steuerung durch den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wird beschrieben. Die Rolle der Entropie bei der Bestimmung der Spontaneität in isolierten Systemen wird erforscht. Die statistischen Grundlagen der Entropie werden dargelegt, einschließlich Gleichungen, die sie mit Unordnung, Entartung und Wahrscheinlichkeit in Beziehung setzen. Wir leiten die Beziehung zwischen der Entropie und der Verteilungsfunktion ab und bestimmen die Natur der Konstante β in Boltzmanns berühmter Gleichung für die Entropie. Schließlich betrachten wir die Rolle der Entropie bei der Bestimmung des maximalen Wirkungsgrads, der von einer Wärmekraftmaschine erreicht werden kann, unter Berücksichtigung des Carnot-Zyklus. Anhand von Hausaufgaben haben Sie die Möglichkeit, die Beherrschung der oben genannten Konzepte zu demonstrieren.

Dieses Modul ist relativ leicht, d.h. wenn Sie ein wenig in Rückstand geraten sind, haben Sie möglicherweise die Möglichkeit, den Rückstand wieder aufzuholen. Wir untersuchen das Konzept der Standardentropie, das durch den Dritten Hauptsatz der Thermodynamik ermöglicht wird. Die Messung der Entropien des Dritten Gesetzes anhand der Wärmekapazitäten bei konstantem Druck wird erklärt und für Gase mit Werten verglichen, die direkt aus molekularen Verteilungsfunktionen berechnet werden. Die Additivität der Standardentropien wird genutzt, um entropische Veränderungen für allgemeine chemische Veränderungen zu berechnen. Anhand von Hausaufgaben haben Sie die Möglichkeit, die Beherrschung der oben genannten Konzepte zu demonstrieren.

Dieses letzte Modul rundet den Kurs mit der Einführung neuer Zustandsfunktionen ab, nämlich der freien Energien nach Helmholtz und Gibbs. Die Bedeutung dieser Zustandsfunktionen für die Vorhersage der Richtung chemischer Prozesse in isotherm-isochoren bzw. isotherm-isobaren Ensembles wird abgeleitet. Mit den verschiedenen Zustandsfunktionen, ihren jeweiligen Definitionen und der Kenntnis ihrer so genannten natürlichen unabhängigen Variablen werden Maxwell-Beziehungen zwischen verschiedenen thermochemischen Eigenschaften bestimmt und zur Bestimmung thermochemischer Größen verwendet, die sich nicht ohne weiteres direkt messen lassen (wie z.B. die innere Energie). Ausgestattet mit einem vollständigen thermochemischen Werkzeugkasten werden wir das Verhalten eines Elastomers (in diesem Fall ein Gummiband) in Abhängigkeit von der Temperatur erklären. Anhand von Hausaufgaben haben Sie die Möglichkeit, die Anwendung der oben genannten Konzepte zu demonstrieren. In der Abschlussprüfung können Sie zeigen, dass Sie das gesamte Kursmaterial beherrschen.

Dies ist die letzte benotete Übung (20 Fragen) für den Kurs. Für die Prüfung gibt es kein Zeitlimit.