PCGO at Hochschule Kaiserslautern

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Wie ist die Oberflächenspannung definiert? Wie kann die Kraftwirkung der Oberfläche beschrieben werden? Wie wäre eine mikroskopische/ molekulare Interpretation?

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Was versteht man unter „Ostwald-Ripening“? Welche fundamentale Beziehung der Grenzflächenforschung liegt diesem Phänomen zu Grunde?

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Wie ist der Begriff ‚Zustandsgröße‘ definiert? Welches ist die wichtigste Zustandsgröße?

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Wie sind intensive und extensive Variablen definiert?

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Wie lautet das Zweite Thermodynamische Gesetz?

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In welchem Fall nutzt man die Freie Energie F zur Beschreibung eines Systems?

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Unter welchen Bedingungen nutzt man die Gibbs’sche Freie Energie G zur Beschreibung eines Systems?

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Erklären Sie den Begriff Tensid. Was ist die wesentliche Eigenschaft eines Tensids? Was ist bzgl. der Oberflächenüberschusskonzentration im Falle von Tensiden zu sagen?

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Erklären Sie kurz die Begriffe lyophob und lyophil und nennen Sie je ein Beispiel.

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Welche beiden wesentlichen Näherungen muss man machen, um von der 3D Poisson-Boltzmann-Gleichung zur sog. linearisierten Form zu gelangen?

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Was ist die Debye-Länge? Zusammenhang mit k? was wird damit beschrieben?

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Wozu kann die Grahame Gleichung genutzt werden?

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PCGO

Wie ist die Oberflächenspannung definiert? Wie kann die Kraftwirkung der Oberfläche beschrieben werden? Wie wäre eine mikroskopische/ molekulare Interpretation?

Die Oberflächenspannung ist eine Eigenschaft der Oberfläche (Grenzfläche) zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas wie etwa der Luft. Die Oberfläche einer Flüssigkeit verhält sich ähnlich einer gespannten, elastischen Folie.
Die Oberflächenspannung ist die infolge von Molekularkräften auftretende Erscheinung bei Flüssigkeiten, ihre Oberfläche klein zu halten. 


Kraftwirkung der Oberfläche -> Kraft, die aufgewendet werden muss um die Oberfläche festzuhalten.


  • Ein Flüssigkeitsfilm ist über einen Rahmen mit beweglicher Grenze gespannt (Breite b). Die beiden Flüssigkeitsoberflächen (vorne und hinten) überlappen sich nicht. Die Oberfläche wird durch Bewegung der Grenze um dx vergrößert. Die erforderliche Arbeit ist dW. Sie ist proportional zum Oberflächenzuwachs dA -> dW= γ∙dA
    Oberflächenzuwachs -> dA=2bdx


Auf molekularem Level kann man sich vorstellen, dass durch die wirkenden intermolekularen Kräfte (van der Waals, Wasserstoffbrücken...) es für ein Molekül energetisch günstiger ist, sich im Bulk (d.h. im Volumen) aufzuhalten. Daher versucht die Flüssigkeit, ihre Oberfläche zu minimieren. (versteh ich nicht so ganz)

PCGO

Was versteht man unter „Ostwald-Ripening“? Welche fundamentale Beziehung der Grenzflächenforschung liegt diesem Phänomen zu Grunde?

Ein Tropfen in seinem Dampf (positiv gebogene Fläche)
Der Dampfdruck eines Tropfens ist höher als der einer planaren Flüssigkeitsoberfläche.

Deshalb sollten Aerosole (z.B. Nebel) eigentlich instabil sein. Bei einer Mischung von Tropfen verschiedener Größe wachsen die größeren Tropfen auf Kosten der Kleineren. Diesen Effekt nennt man "Ostwald Ripening " (Ostwald Reifung).
Für einen gegebenen Dampfdruck gibt es eine kritische Tropfengröße. Ein Dampf kann in eine Übersättigung gekühlt werden: Er kann nicht kondensieren, da jeder Tropfen sofort wieder verdampft (aber: Keimbildung).

Das erklärt umgekehrt z.B. die Existenz von Nebel


Die Ostwald-Reifung beruht auf der Krümmungsabhängigkeit des Dampfdrucks bzw. der Löslichkeit eines feinen Pulvers, im Wortlaut Ostwalds: „da nach bekannten Prinzipien ein feines Pulver löslicher sein muss als ein grobes, ebenso wie kleine Tröpfchen einen größeren Dampfdruck haben als große“. Der Dampfdruck- bzw. Konzentrationsunterschied in einem geschlossenen System wird ausgeglichen, indem ein Materiestrom von den kleinen zu den großen Kolloiden fließt. Folglich schrumpfen die kleinen, die großen aber wachsen weiter. Sobald der Radius eines kleinen Kolloids einen kritischen Wert unterschreitet, wird es energetisch instabil und löst sich vollständig auf. Folglich verringert sich die Zahl der Kolloide mit fortschreitender Evolution (Vergröberung) und es kommt zu einer PhasentrennungWährend der Ostwald-Reifung wird die freie Energie (Oberflächenspannung) des Systems minimiert

PCGO

Wie ist der Begriff ‚Zustandsgröße‘ definiert? Welches ist die wichtigste Zustandsgröße?

Zustandsgrößen beschreiben den Zustand eines physikalischen Systems und sind unabhängig davon, auf welchem Weg es zu diesem Zustand gekommen ist. Wenn alle Zustandsgrößen zeitlich konstant sind, dann befindet sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht


Dem gegenüber stehen Prozessgrößen wie Arbeit und Wärme die den Verlauf einer Zustandsänderung beschreiben.

Die wichtigste Zustandsgröße in der Thermodynamik ist die Innere Energie U!

PCGO

Wie sind intensive und extensive Variablen definiert?

Das Differential der inneren Energie dU ist die Summe der Produkte aus intensiven Variablen und den Differentialen der extensiven Variablen!

  • intensive Variable: Die sogenannten intensiven Variablen sind unabhängig von der Systemgröße. Beispiele sind Druck p, Temperatur T, elektrostatisches Feld, ...
  • extensive Variable: Die sogenannten extensiven Variablen sind proportional zur Systemgröße. Beispiele sind Volumen V, Entropie S, Ladung q, …

PCGO

Wie lautet das Zweite Thermodynamische Gesetz?

„Es gibt keine Zustandsänderung, deren einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem Körper niederer auf einen Körper höherer Temperatur ist.“

  • beschäftigt sich mit der Richtung natürlicher Prozesse. Es besagt, dass reale Prozesse nur in eine Richtung ablaufen und nicht reversibel sind.
  • Wärme fließt spontan immer nur von warm nach kalt und nicht umgekehrt (wenn keine Arbeit verrichtet wird)
  • S ist das Maß für die Anordnungsfreiheit der Moleküle und Atome
    • dS=dQ/T


Alle natürlichen Prozesse laufen so ab, dass die Gesamtentropie des Systems maximiert wird. Das System ist dann im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn das Maximum der Entropie erreicht ist. Die Entropie eines abgeschlossenen Systems kann niemals kleiner werden.

PCGO

In welchem Fall nutzt man die Freie Energie F zur Beschreibung eines Systems?


  • Zum Auffinden des thermodynamischen Gleichgewichts verwendet
  • „Man benutzt die Helmholtz-Freie Energie für Systeme mit konstanter Temperatur und konstantem Volumen!“ Bsp.: Thermoskanne

Bei konst Temperatur und Volumen ist die Helmholtz'sche Energie F in einem Extremwert. Da die Entropie S im thermodynamischen GG max ist, muss die Helmholtz'sche freie Energie F in einem Minimum sein!

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Unter welchen Bedingungen nutzt man die Gibbs’sche Freie Energie G zur Beschreibung eines Systems?

Die Gibb'sche freie Energie G ist bei konstanter Temperatur und konstantem Druck p in einem Minimum.

Man benutzt die Gibbs‘sche freie Energie G für Systeme mit konstanter Temperatur und konstantem Druck!

PCGO

Erklären Sie den Begriff Tensid. Was ist die wesentliche Eigenschaft eines Tensids? Was ist bzgl. der Oberflächenüberschusskonzentration im Falle von Tensiden zu sagen?

die Oberflächenspannung sinkt, wenn ein Tensid zugegeben wird


  • Tenside reichern sich stark an der Oberfläche an, was die Oberflächenspannung herabsetzt
  • Der Effekt der Anreicherung (oder Verarmung) wird durch die Gibbs’schen Adsorptionsisotherme beschrieben, welche wiederum den Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und der Oberflächenüberschusskonzentration beschreibt
  • ermöglicht, das eigentlich nicht mischbare Flüssigkeiten vermischt werden können (dispersion) 
  • ist in der Lage die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zw 2 Phasen herabzusetzen

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Erklären Sie kurz die Begriffe lyophob und lyophil und nennen Sie je ein Beispiel.

  • Lyophil bedeutet in der Chemie leicht löslich oder Lösungsmittel aufnehmend (Seife in Wasser; Lösung)
  • Lyophob ist das Gegenteil von lyophil und bedeutet schwer löslich bzw. keine Lösungsmittel aufnehmend (Ölemulsionen)
  • beides sind Begrifflichkeiten, die die Löslichkeit beschreiben bzw. ob ein System Lösungsmittel aufnehmen kann

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Welche beiden wesentlichen Näherungen muss man machen, um von der 3D Poisson-Boltzmann-Gleichung zur sog. linearisierten Form zu gelangen?

Ladungsdichte und das elektrische Potenzial wird durch die Poisson-Gleichung beschrieben

Zuerst erfolgt eine Vereinfachung:


  • Es wird nur elektrische Arbeit verrichtet
  • Es werden nur einwertige Salze betrachtet (NaCl oder KCl)
  • Die Ionenkonzentration des Hintergrundsalzes ist höher als die Konzentration der Ionen, die von der Oberfläche dissoziieren oder an die Oberfläche adsorbieren
  • Niedrige Potentiale müssen angenommen werden -> max Abstände: halbe Debye Länge

Danach erfolgt eine Potenzreihenentwicklung nach Taylor

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Was ist die Debye-Länge? Zusammenhang mit k? was wird damit beschrieben?

ist die Abschirmlänge -> elektrisches Potential fällt auf diese Länge ab

  •  charakteristische Länge, auf welcher das elektrische Potential einer lokalen Überschussladung auf das 1/e-fache abfällt
  • Das Oberflächenpotenzial fällt exponentiell mit der Abklingkonstante k ab!
  • Der Kehrbruch dieser Abklingkonstanten heißt „Debye-Lange“.

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Wozu kann die Grahame Gleichung genutzt werden?

  • Zur Berechnung der Oberflächenladungsdichte

  • verknüpft die Oberflächenladungsdichte und das Oberflächenpotential

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