Die Thermodynamik – auch Wärmelehre bezeichnet – beschäftigt sich mit der Möglichkeit, der Umverteilung von verschiedenen Energieformen und der Beschreibung von Systemen. Im Bereich der Thermodynamik werden makroskopische Zustandsgrößen (Druck, Temperatur, Stoffmenge ..) verwendet, im Gegensatz zur Quantenchemie, wo mikroskopische Zustandsgrößen verwendet werden.
Die Zustandsgrößen in der Thermodynamik sollen dazu dienen, ein System exakt zu beschreiben. Zu den (makroskopischen) Zustandsgrößen gehören der Druck p, Temperatur T, Volumen V und die Stoffmenge n. Oft hört man die Frage, wie viele Variablen benötigt werden, um ein System zu beschreiben. Auf diese Frage gibt es nur eine unbefriedigende Antwort, nämlich, die Anzahl an benötigten Zustandsgrößen ist anhängig vom System (ein ideales Gas p·V = n·R·T benötigt drei Variablen um eindeutig beschrieben werden zu können).
Leider wird es noch ein wenig komplizierter, da die Zustandsgrößen noch in intensive und extensive Zustandsgrößen unterschieden werden. Dies kommt daher, dass es zwei Arten von Zustandsgrößen gibt:, Zustandsgrößen, die von der Größe des Systems unabhängig sind und Größen, die systemabhängig sind. Dabei gilt, dass die extensiven Größen Mengen abhängig sind, die intensiven nicht.
Beispiel: Gibt man zu einem Liter Wasser nochmals einen Liter Wasser (die Temperatur des Wassers ist in beiden Fällen gleich), so verdoppelt sich das Volumen (extensive Größe), die Temperatur bleibt aber gleich (intensive Größe).
Für Berechnungen mit Zustandsgrößen ist es von Bedeutung, ob eine intensive oder extensive Größe vorliegt. So gilt, dass der Betrag von extensiven Größen sich für Teilsysteme addieren lassen (z.B. Volumen in obigen Beispiel), bei intensiven Größen wie Druck und Temperatur ist dies nicht möglich.
Zusätzlich gilt: teilt man eine extensive Größe durch die Stoffmenge, so erhält man eine intensive Größe. Diese ist beispielsweise beim Volumen eines Gases möglich, so ist Volumen geteilt durch die Stoffmenge das sogenannte Molvolumen.
Die Zustandsgrößen in der physikalischen Chemie sind Werte, die den Zustand eines thermodynamischen Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreiben. Beispiele für Zustandsgrößen sind Druck, Temperatur, Volumen, Enthalpie, Freie Energie und Entropie.
Ein thermodynamisches System ist eine Menge von Partikeln, für die wir alle thermodynamischen Größen und Eigenschaften angeben können.
In einem idealen Gas sind die Zustandsgrößen durch das ideale Gasgesetz verbunden: Druck x Volumen = Anzahl der Teilchen x Gaskonstante x Temperatur.
Die Entropie ist eine Zustandsgröße, die das Maß für die Unordnung oder den Informationsgehalt eines Systems darstellt.
Extensive Zustandsgrößen sind von der Menge der Substanz abhängig (z.B. Volumen, Enthalpie), während intensive Zustandsgrößen unabhängig von der Menge sind (z.B. Temperatur, Druck).
Die freie Energie ist die Energie, die einem System zur Verfügung steht, um Arbeit zu verrichten.
Die Enthalpie ist die Wärmeenergie, die ein System bei konstantem Druck aufnehmen oder abgeben kann.
Änderungen der Zustände können die Zustandsgrößen verändern und führen zu einer Veränderung der Eigenschaften des Systems.
Die Zustandsgrößen stehen in einem bestimmten Zusammenhang zueinander und durch bestimmte Gesetze und Formeln kann man die einen Zustandsgrößen durch die anderen ausdrücken.
Das Gesetz besagt, dass die Energie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt, was bedeutet, dass die Gesamtenergie, die sich aus den verschiedenen Zustandsgrößen zusammensetzt, immer gleich bleibt.