Einführung in die Biophysikalische Chemie

Eine chemische Reaktion beinhaltet die Umverteilung von Atomen, aber auch immer einen Energieumsatz.

Bei einem Coldpack wird durch die Mischung von Flüssigkeit und Salzkügelchen Energie aus dem System entnommen, was zu einer starken Abkühlung führt.

Ein Wärmepad nutzt die Umwandlung eines Salzes in eine unterkühlte, metastabile Flüssigkeit. Durch Knicken wird die Kristallisation ausgelöst, wodurch Wärme freigesetzt wird.

Das Auflösen eines Salzes im Wasser oder die Kristallisation eines Salzes kann mit einer Temperaturänderung verbunden sein.

Newtons 2. Gesetz besagt: Wird auf einen Körper mit der Masse m eine Kraft F ausgeübt, so wird er in Bewegung versetzt und beschleunigt.

Die Kraft ist eine physikalische Größe, die die Wechselwirkung zwischen Körpern beschreibt. Sie kann einen Körper beschleunigen oder seine Form verändern. Die Einheit der Kraft ist das Newton (N).

Arbeit ist die Energie, die benötigt wird, um einen Körper über eine bestimmte Strecke zu bewegen. Sie ist definiert als das Produkt aus Kraft und Wegstrecke. Die Einheit der Arbeit ist das Joule (J).

Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Sie kann in verschiedenen Formen existieren, z.B. als potentielle Energie, kinetische Energie oder Wärmeenergie. Die Einheit der Energie ist das Joule (J).

Die potentielle Energie eines Körpers ist die Energie, die er aufgrund seiner Position oder Lage besitzt. Zum Beispiel besitzt ein Körper auf einer Höhe eine potentielle Energie, die er in kinetische Energie umwandeln kann, wenn er herunterfällt.

Die kinetische Energie eines Körpers ist die Energie, die er aufgrund seiner Bewegung besitzt. Je schneller sich ein Körper bewegt, desto größer ist seine kinetische Energie.

Die gesamte Energie eines Systems, die aus der Summe aller kinetischen und potentiellen Energiebeiträge aller Atome, Ionen und Moleküle besteht.

Die Differenz zwischen der inneren Energie des Endzustands und der inneren Energie des Anfangszustands eines Systems.

Die Energie, die während einer chemischen Reaktion freigesetzt oder aufgenommen wird.

Die Energie, die ein System an seine Umgebung abgibt oder von seiner Umgebung aufnimmt, wenn es sich erwärmt oder abkühlt.

Durch die Messung der Wärme und Arbeit, die während einer Reaktion zugefügt oder verloren geht, kann die Änderung der inneren Energie bestimmt werden.

Der Druck ist die Kraft, die auf eine bestimmte Fläche wirkt. Er wird als Kraft pro Flächeneinheit definiert.

Der Luftdruck, der auf uns wirkt. Dieser Wert entspricht dem Druck einer Luftsäule mit einer Höhe von 760 mm Quecksilber (Hg).

Die SI-Einheit des Drucks. 1 Pascal entspricht der Kraft von 1 Newton (N) auf einer Fläche von 1 Quadratmeter (m²).

Die Arbeit, die beim Expandieren oder Kontrahieren eines Gases geleistet wird. Diese Arbeit entsteht durch die Änderung des Volumens gegen einen äußeren Druck.

Eine chemische Reaktion, bei der Harnstoff mit Sauerstoff reagiert und Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) erzeugt.

Wenn ein Gas in einem geschlossenen Gefäß expandiert, wird der Kolben aufgrund des erhöhten Drucks nach außen bewegt.

Die Zunahme des Volumens eines Gases durch das Ausdehnen des Kolbens. Der Druck nimmt dabei ab.

Die Arbeit, die geleistet wird, wenn ein Gas gegen einen externen Druck expandiert. Diese Arbeit wird mit der Formel W = ΔV ⋅ p berechnet.

Die Arbeit, die während einer Reaktion in einem offenen Gefäß geleistet wird. Das entstehende Gas verdrängt die umgebende Luft und leistet Arbeit gegen den atmosphärischen Druck.

Die Arbeit, die wir leisten, um beim Ausatmen Luft aus den Lungen zu entfernen, indem wir gegen den Luftdruck arbeiten.

Differenzkalorimetrie (DSC) ist eine thermische Analysemethode, die die Wärmemengen misst, die während eines kontrollierten Temperaturprogramms benötigt oder freigesetzt werden, um eine Probe im Vergleich zu einer Referenz auf der gleichen Temperatur zu halten.

Ein DSC-Gerät beinhaltet zwei identische Kammern, in denen die Probe und ein Referenzmaterial mit konstanter Rate elektrisch erhitzt werden. Der Unterschied in der Energiemenge, die benötigt wird, um die Kammern bei steigender Temperatur auf gleicher Temperatur zu halten, gibt die Zugeführte Wärmeenergie an.

Ein DSC-Thermogramm ist ein Graph, der die Wärmeflussrate gegen die Temperatur aufträgt. Es zeigt die Wärmeenergie, die bei einem chemischen oder physikalischen Prozess während des Aufheizens freigesetzt oder aufgenommen wird.

Ein endothermer Prozess ist ein Prozess, bei dem Wärme von der Umgebung aufgenommen wird. In einem DSC-Thermogramm wird dies durch einen Peak nach unten angezeigt.

Ein exothermer Prozess ist ein Prozess, bei dem Wärme in die Umgebung freigesetzt wird. In einem DSC-Thermogramm wird dies durch einen Peak nach oben angezeigt.

Die Enthalpieänderung eines Prozesses kann aus dem DSC-Thermogramm berechnet werden, indem die Fläche unter dem Peak integriert wird. Die Fläche entspricht der Wärmemenge, die während des Prozesses freigesetzt oder aufgenommen wird.

Die Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer bestimmten Menge Stoff um 1 Grad Celsius zu erhöhen.

Die Wärmekapazität beeinflusst die DSC-Analyse, da sie die Menge an Energie bestimmt, die benötigt wird, um die Probe auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. Veränderungen in der Wärmekapazität können daher Peaks im DSC-Thermogramm hervorrufen.

Aus einem DSC-Thermogramm kann man Informationen über die Schmelztemperatur, den Siedepunkt, die Glasübergangstemperatur, die Enthalpieänderung und die kinetischen Parameter eines Prozesses gewinnen.

DSC findet breite Anwendung in der Materialwissenschaft, der Chemie, der Pharmazie und der Lebensmittelchemie, um beispielsweise die Materialeigenschaften, die Stabilität von Substanzen, die Reaktionskinetik und die Phasenübergänge zu untersuchen.

Energie ist ein zentrales Konzept in der Chemie, das verschiedene Eigenschaften von Molekülen und Reaktionen erklärt. Es beeinflusst, welche Moleküle sich bilden können, welche Reaktionen ablaufen, wie schnell sie ablaufen und in welche Richtung sie bevorzugt ablaufen.

In der Biologie und Medizin spielt Energie eine entscheidende Rolle bei komplexen biologischen Prozessen. Sie wird in Muskelkontraktionen, dem Transport von Nährstoffen und Ionen durch Zellmembranen, sowie bei vielen anderen Prozessen genutzt.

Das System ist der Teil der Welt, der im Mittelpunkt des Interesses steht. Es ist der Bereich, in dem eine bestimmte Reaktion abläuft oder ein bestimmter Prozess stattfindet.

Die Umgebung ist alles, was nicht zum System gehört. Es ist der Bereich, der das System umgibt und mit dem es Energie und/oder Materie austauschen kann.

Ein offenes System erlaubt den Austausch von Energie und Materie mit der Umgebung.

Ein geschlossenes System ermöglicht den Austausch von Energie, aber nicht den Austausch von Materie mit der Umgebung.

Ein isoliertes System erlaubt weder den Austausch von Energie noch von Materie mit der Umgebung.

Temperatur ist ein Maß dafür, in welche Richtung der Wärmefluss erfolgt. Sie gibt den Grad der Wärme eines Körpers oder einer Substanz an.

Die thermodynamische Temperatur ist eine absolute Temperaturskala, die in Kelvin (K) gemessen wird und ihren Nullpunkt am absoluten Nullpunkt (T = 0 K) hat.

Wenn zwei Körper die gleiche Temperatur haben, befinden sie sich im thermischen Gleichgewicht. Es findet kein Netto-Energiefluss zwischen ihnen statt.

Die Wärmekapazität beschreibt die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer bestimmten Masse eines Stoffes um ein Kelvin (K) oder ein Grad Celsius (°C) zu erhöhen.

Die Temperaturänderung (ΔT) ist die Differenz zwischen der Anfangstemperatur und der Endtemperatur eines Körpers.

Die benötigte Wärmemenge (q) um den Stoff zu erwärmen, berechnet sich aus dem Produkt der Wärmekapazität (C) und der Temperaturänderung (ΔT).