Thermodynamik der Werkstoffe
Gibbs-Energie und die Bedingung für freiwillig ablaufende Vorgänge, das Lesen von Ellingham-Diagrammen, Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck und H₂/H₂O-Verhältnis, Aktivität und Aktivitätskoeffizient, freie Mischungsenthalpie idealer und regulärer Lösungen sowie spinodale Entmischung mit Multiple-Choice-Fragen prüfen. Auch die Rechenaufgaben sind erläutert.
Thermodynamik der Werkstoffe: das Wichtigste
Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck läuft ein Vorgang in die Richtung ab, in der die Gibbs-Energie (freie Enthalpie) G = H − TS abnimmt; bei ΔG = 0 herrscht Gleichgewicht. Das Ellingham-Diagramm, mit dem man die Stabilität von Oxiden vergleicht, stellt die Standard-Gibbs-Energie der Bildung ΔG° pro mol O₂ über der Temperatur dar: Je tiefer die Linie eines Metalls liegt, desto stabiler ist sein Oxid, und das Metall kann die Oxide der darüberliegenden Linien reduzieren. Aus ΔG° = RT ln pO₂ ergibt sich der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, bei dem Metall und Oxid nebeneinander bestehen.
Die Aktivität ist die wirksame Konzentration einer Komponente in einer Lösung oder einem Mischkristall; in einer idealen Lösung ist sie gleich dem Stoffmengenanteil, und Abweichungen werden durch den Aktivitätskoeffizienten ausgedrückt. Die freie Enthalpie eines Mischkristalls ergibt sich aus dem Zusammenspiel der Absenkung durch die Mischungsentropie und der Mischungsenthalpie; stoßen sich im Modell der regulären Lösung ungleiche Atome ab, tritt bei tiefer Temperatur eine Mischungslücke auf. Die Gleichgewichtszusammensetzungen der beiden Phasen bestimmt die gemeinsame Tangente, und innerhalb der Lücke kommt es zur spinodalen Entmischung.
Alle Fragen zum Thema „Thermodynamik der Werkstoffe“ (15)
- Welche Kombination aus Größe und Bedingung entscheidet bei konstanter Temperatur und konstantem Druck, ob eine Zustandsänderung in einem geschlossenen System freiwillig abläuft?
- Welche Aussage über eine Reaktion mit ΔH > 0 und ΔS > 0 (etwa die thermische Zersetzung eines Carbonats) trifft zu? ΔH und ΔS seien temperaturunabhängig.
- Für die Zersetzung von Calciumcarbonat CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) seien die Standardreaktionsenthalpie ΔH° = +178 kJ/mol und die Standardreaktionsentropie ΔS° = +161 J/(mol·K), beide temperaturunabhängig. Welcher Wert kommt der Temperatur am nächsten, bei der die Zersetzung im Standardzustand mit einem CO₂-Partialdruck von 1 bar freiwillig einzusetzen beginnt (der Temperatur mit ΔG° = 0)?
- Im Ellingham-Diagramm steigen die ΔG°-Geraden für die Oxidation vieler Metalle, 2M(s) + O₂(g) → 2MO(s), nach rechts an, d. h., ΔG° wird mit steigender Temperatur größer (nähert sich 0). Was ist der Hauptgrund?
- Welche Aussage über die Gerade der Reaktion 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g) im Ellingham-Diagramm trifft zu?
- Im Ellingham-Diagramm werden die Bildungsreaktionen aller Oxide einheitlich mit ΔG° je 1 mol O₂ dargestellt. Was ist der Hauptvorteil dieser Darstellung?
- Bei 1000 °C seien ΔG° von 4/3 Al + O₂ → 2/3 Al₂O₃ gleich −850 kJ/mol und ΔG° von 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃ gleich −530 kJ/mol (beide je 1 mol O₂). Welche Kombination aus dem ΔG° der Reaktion 2/3 Cr₂O₃ + 4/3 Al → 2/3 Al₂O₃ + 4/3 Cr und der Richtung, in der sie abläuft, ist richtig? Alle Stoffe seien rein.
- Bei 1000 K beträgt ΔG° von 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s) −298 kJ/mol. Welcher Wert kommt dem Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, bei dem Ni und NiO koexistieren, am nächsten? Ni und NiO seien reine Festkörper (Aktivität 1), der Standarddruck 1 bar, die Gaskonstante 8,314 J/(mol·K) und ln 10 = 2,303.
- Bei 1000 K seien ΔG° von 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) gleich −385 kJ/mol und ΔG° von 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s) gleich −298 kJ/mol. Nickel wird in einem H₂–H₂O-Gasgemisch geglüht. Welcher Wert kommt dem Partialdruckverhältnis pH₂O/pH₂ am nächsten, bei dem Ni und NiO im Gleichgewicht stehen (ist das Verhältnis kleiner, wird Ni nicht oxidiert)? Die Gaskonstante sei 8,314 J/(mol·K), Ni und NiO seien reine Festkörper.
- Welche Aussage über die Aktivität einer Komponente in einer Lösung (Flüssigkeit oder Mischkristall) trifft zu?
- Bei einer bestimmten Temperatur sei p₀ der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, bei dem reines Cr und Cr₂O₃ koexistieren. Das Wievielfache von p₀ beträgt bei derselben Temperatur etwa der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, bei dem eine Legierung mit der Cr-Aktivität 0,10 und reines Cr₂O₃ koexistieren? Die Reaktion sei 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃.
- Welche Aussage über die freie Mischungsenthalpie einer idealen Lösung (eines idealen Mischkristalls), ΔG_mix = RT[x ln x + (1 − x) ln(1 − x)], trifft zu? x ist der Stoffmengenanteil einer Komponente.
- Im Modell der regulären Lösung wird die Mischungsenthalpie als ΔH_mix = Ωx(1 − x) angesetzt (Ω ist ein temperaturunabhängiger Wechselwirkungsparameter), während die Mischungsentropie der einer idealen Lösung entspricht. Welcher Wert kommt für Ω = +20 kJ/mol der kritischen Temperatur Tc = Ω/(2R) am nächsten, oberhalb der der Bereich verschwindet, in dem der Mischkristall in zwei Phasen zerfällt (Mischungslücke)? Die Gaskonstante sei 8,314 J/(mol·K).
- Welche Bedingung muss bei konstanter Temperatur und konstantem Druck erfüllt sein, damit α- und β-Phase eines binären Systems im Gleichgewicht koexistieren?
- Ein Mischkristall mit Mischungslücke wird aus dem einphasigen Zustand bei hoher Temperatur abgeschreckt und bei einer Temperatur innerhalb der Mischungslücke gehalten. Welche Aussage über die spinodale Entmischung trifft zu?