@phdthesis{Machon2003,
  author    = {Machon, Christian},
  title     = {Thermodynamische Untersuchungen und semiempirische Berechnungen an Dihydroxynaphthalinen und einfachen Naphthalinderivaten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-7526},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Die Wirksamkeit eines Arzneistoffs h{\"a}ngt in entscheidendem Maße von seiner Wasserl{\"o}slichkeit ab. Schlechte L{\"o}slichkeit bedeutet eine große positive {\"A}nderung der Freien Energie w{\"a}hrend des L{\"o}sevorgangs. Hinweise zu finden, die zum besseren Verst{\"a}ndnis des L{\"o}sungsprozesses f{\"u}hren, ist das Ziel dieser Arbeit. Auf der Grundlage des Hess'schen Satzes wird der L{\"o}sungsprozess in Ersatzprozesse zerlegt. Die Teilschritte der Ersatzprozesse werden thermodynamisch, kalorimetrisch und quantenchemisch beschrieben. Freie Energien, Standardenthalpien und Standardentropien der Teilschritte werden erfasst und beurteilt. Weitere physikochemische Gr{\"o}ßen werden gemessen oder berechnet, die mit den einzelnen Teilschritten in Zusammenhang stehen k{\"o}nnen. Einfache Naphthalinderivate dienen als Modellsubstanzen. Dies sind zwei einfach und sieben zweifach hydroxylierte Naphthaline, 1-Naphthylamin, 4-Chlor-1-naphthol und 2-Naphthalinthiol. Zum einen wird der L{\"o}sungsvorgang als Summe aus Sublimation und anschließender Solvatation betrachtet. Die Freien Sublimationsenergien werden aus dem experimentell ermittelten Sublimationsdampfdruck berechnet. Dies geschieht mittels einer Hochvakuumapparatur oder einer gaschromatographischen Methode. Je mehr polare Gruppen am Grundger{\"u}st sind, desto h{\"o}her ist der energetische Aufwand, das Molek{\"u}l zu sublimieren. Die Freie Energie betr{\"a}gt f{\"u}r Naphthalin 30,5 [kJ·mol-1], f{\"u}r einfach substituierte Naphthaline 40,1 und 45,3 [kJ·mol-1] und f{\"u}r zweifach hydroxylierte Naphthaline 51,8 bis 67,5 [kJ·mol-1]. In {\"a}hnlichem Verh{\"a}ltnis stehen auch die Freien Solvatationsenergien. Diese werden mittels AMSOL, eines quantenchemischen semiempirischen Rechenprogramm, f{\"u}r zwei Parametrisierungen AM1 und PM3 berechnet. Die L{\"o}slichkeit der Substanzen in Wasser wird ermittelt, und daraus die Freie L{\"o}sungsenergie berechnet. Der Unterschied in den Freien L{\"o}sungsenergien ist trotz des gr{\"o}ßeren Energieaufwandes der substituierten Derivate bei der Sublimation um ca. 10 [kJ·mol-1] je polarer Gruppe nicht deutlich. Die Ursache ist die Energiefreisetzung w{\"a}hrend der Solvatation, die mit zunehmenden polaren Gruppen mehr Energie freisetzt. Gr{\"u}nde daf{\"u}r sind vermehrte Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen und st{\"a}rkere Dipol-Dipol-Wechelswirkungen der h{\"o}her substituierten Naphthaline. Ein den Freien Energien {\"a}hnliches Bild ergibt sich bei der Betrachtung der Standardenthalpien. Die Standardsublimationsenthalpie wird aus Sublimationsdr{\"u}cken bei unterschiedlichen Temperaturen berechnet, die Standardl{\"o}sungsenthalpie mittels Kalorimetrie und die Standardsolvatationsenthalpie aus der Differenz der beiden vorangegangenen. Adsorptionsmessungen werden durchgef{\"u}hrt, um kalorimetrische Falschmessungen durch Adsorption von Wasser an die Substanzen auszuschließen. Die Ursachen f{\"u}r ein den Freien Energien {\"a}hnliches Verhalten sind die gleichen. Eine Ausnahme bildet 1,3-Dihydroxynaphthalin, bei dem die Standardl{\"o}sungsenthalpie um den Faktor 4 gr{\"o}ßer ist als bei den restlichen Dihydroxynaphthalinderivaten. Die Standardentropien werden aus den vorher gewonnenen Gr{\"o}ßen berechnet. Die Standardsublimationsentropien der untersuchten Substanzen liegen zwischen 162 und 350 [J·mol-1·K-1]. Ebenso steigen sie beim L{\"o}sevorgang mit Ausnahme von 2-Naphthalinthiol. Dort liegt die Ursache in der mangelnden Hydrophilie, so dass sowohl beim L{\"o}sen als auch beim Mischen der Ordnungszustand zunimmt. Bei der Solvatation sinkt die Entropiealler Substanzen mit Ausnahme von 1,3- Dihydroxynaphthalin. Eine Beurteilung aufgrund der Entropien zwischen den Naphthalinen zu machen, ist anhand der Messergebnisse nicht m{\"o}glich. Die zweite Betrachtungsweise legt dem L{\"o}sungsprozess das Schmelzen und anschließende Mischen der Substanz mit dem L{\"o}sungsmittel zugrunde. Die Standardschmelzenthalpie wird kalorimetrisch aus Schmelzpunkt, Differenz der W{\"a}rmekapazit{\"a}ten und der Schmelzw{\"a}rme am Schmelzpunkt ermittelt. Die Standardmischungsenthalpien werden aus der Differenz von kalorimetrisch gemessener Standardl{\"o}sungsenthalpie und Standardschmelzenthalpie berechnet. Die Standardschmelzenthalpien der Dihydroxynaphthaline sind geringer. Dies hat allerdings in den h{\"o}heren Schmelzpunkten seine Ursache. Das chlorierte 1-Naphthol liegt mit seinem Schmelzverhalten im Bereich des einfachen 1-Naphthols, so dass das Chloratom scheinbar keine große Rolle im Schmelzprozess spielt. Die {\"A}nderungen der Entropien w{\"a}hrend des Schmelzprozesses werden aus den gleichen Gr{\"o}ßen wie die Standardschmelzenthalpie gewonnen. Die Mischungsentropie wird aus der Differenz von Schmelz- und L{\"o}sungsentropie berechnet. Die Ordnung w{\"a}hrend des Mischungsvorganges nimmt bei allen untersuchten Substanzen zu außer bei 2-Naphthalinthiol und Naphthalin. Beide hydrophoben Molek{\"u}le haben in w{\"a}ssriger L{\"o}sung weniger M{\"o}glichkeiten sich anzuordnen als in der Schmelze. In die Berechnung der Schmelzentropien gehen die Schmelztemperaturen mit ein. Je h{\"o}her der Schmelzpunkt ist, desto niedriger ist die Standardschmelzentropie. Die Solvatationsenergien werden mittels AM1- und PM3-Parametrisierung in AMSOL berechnet und mit dem experimentell ermitteltem Wert verglichen. Die Berechnungsmethoden zeigen eine statistisch nicht unterscheidbare gleiche Korrelation von r2 = 0,97 f{\"u}r AM1 und r2 = 0,98 f{\"u}r PM3. Die Berechnung der Freien Solvatationsenergie setzt sich aus einzelnen Teilbetr{\"a}gen zusammen. Ein Teil ist die freiwerdende Polarisationsenergie, die mit zunehmender Zahl polarer Substituenten ansteigt, da Partialladungen h{\"a}ufiger auftreten und polarisiert werden k{\"o}nnen. Auch die Oberfl{\"a}chenenergie tr{\"a}gt zur st{\"a}rkeren Solvatation polar substituierter Naphthaline bei. Van der Waals-Oberfl{\"a}chen und -Volumina der untersuchten Molek{\"u}le werden mittels AMSOL berechnet. Die Oberfl{\"a}chen der Dihydroxynaphthaline liegen bei ca. 375 [\&\#506;2], die einfach substituierten darunter. Die Volumina der Dihydroxynaphthaline werden zu ca. 146 [\&\#506;3] berechnet. Berechnete logarithmierte Oktanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten werden mit den experimentell ermittelten verglichen. Zur Berechnung wird eine AM1- und PM3-Parametrisierung verwendet. Beide Parameters{\"a}tze k{\"o}nnen nur unzureichend Oktanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten berechnen. Die Bestimmtheitsmaße r2 liegen unter 0,79. Modellrechnungen weisen als abschließende Beurteilung auf einzelne Gr{\"o}ßen hin, die mit Freier Sublimationsenergie, Freier Solvatationsenergie und Freier L{\"o}sungsenergie in engerem Zusammenhang stehen. Die Einflussgr{\"o}ßen werden auf maximal drei festgelegt, um eine Zufallskorrelation auszuschließen. Es l{\"a}sst sich ein Modell f{\"u}r die Freie Sublimationsenergie berechnen, das f{\"u}r AM1-Berechnungen ein Bestimmtheitsmaß von r2 = 0,984 zeigt und die Molek{\"u}loberfl{\"a}che, die Wechselwirkung von Polarisationsenergie und Molek{\"u}lvolumen und das quadrierte Molek{\"u}lvolumen mit einbezieht. F{\"u}r PM3-Berechnungen werden das Molek{\"u}lvolumen, das Dipolmoment in der Gasphase und die Wechselwirkung von Polarisationsenergie und Molek{\"u}lvolumen herangezogen, wobei das Bestimmtheitsmaß r2 = 0,986 ist. Die experimentell ermittelte Freie Sublimationsenergie der untersuchten Substanzen kann durch drei berechnete Parameter beschrieben werden. Beim Modell zur Freien Solvatationsenergie werden Polarisationsenergie, Oberfl{\"a}chenenergie und Schmelztemperatur als die entscheidenden Einflussparameter herangezogen. Das Bestimmtheitsmaß r2 erreicht 0,979 f{\"u}r AM1-Berechnungen und 0,983 f{\"u}r PM3-Berechnungen. Das Modell zur Berechnung der Freien L{\"o}sungsenergie beruht auf der Polarisationsenergie, der Schmelztemperatur und dem Molek{\"u}lvolumen bei AM1-Berechnungen. Statt des Molek{\"u}lvolumens wird bei PM3-Berechnungen als dritte Gr{\"o}ße die Schmelzw{\"a}rme herangezogen. Die Korrelation ist mit r2 = 0,847 bei AM1-Berechnungen und r2 = 0,879 bei PM3-Berechnungen nicht zuf{\"a}llig, aber nicht so deutlich wie bei den beiden anderen Modellierungen. Ausblickend l{\"a}sst sich festhalten, dass auch 13 Substanzen f{\"u}r eine umfassende theoretische Erfassung der Ersatzprozesse zum L{\"o}sungsvorgang nicht ausreichen. Ein wichtiger Schritt wird die Beschreibung der Kristallstruktur und der Gitterenergie sein, um befriedigende L{\"o}slichkeitsvorhersagen machen zu k{\"o}nnen.},
  subject      = {Dihydroxynaphthaline},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Raffauf2011,
  author    = {Raffauf, Claudia},
  title     = {Thermodynamische Untersuchungen und quantenchemische Berechnungen zum L{\"o}sungsverhalten von Phenylethylaminen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56239},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Die Wasserl{\"o}slichkeit von Wirkstoffen ist von elementarer Bedeutung f{\"u}r deren pharmazeutische Verwendung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Ansatz der thermodynamischen Betrachtung des L{\"o}sungsprozesses von einfachen Modellsubstanzen auf pharmazeutisch relevante Substanzen aus der Gruppe der Phenylethylamine {\"u}bertragen und entsprechend erweitert. Der L{\"o}sungsprozess wurde auf Grundlage des Satzes von Hess in Ersatzschritte aufgeteilt, die dann mittels kalorimetrischer Bestimmung, quantenchemischen Rechnungen und MD-Simulation bestimmt wurden, um die limitierenden Faktoren der L{\"o}slichkeit zu beschreiben und so gezielte Ans{\"a}tze f{\"u}r die L{\"o}slichkeitsverbesserung finden zu k{\"o}nnen. Der L{\"o}sungsprozess wurde zum einen durch die Schritte Sublimation und Solvatation und zum anderen durch Schmelzen und Mischen beschrieben. F{\"u}r die einzelnen Schritte sind die thermodynamischen Gr{\"o}ßen Enthalpie, Entropie und Freie Enthalpie bestimmt worden. Dies war zum Teil experimentell mithilfe von kalorimetrischen Messungen m{\"o}glich, andere Gr{\"o}ßen sind mit dem semiempirischen Solvatationsprogramm AMSOL oder mit COSMOtherm berechnet worden. Die so gewonnenen thermodynamischen Gr{\"o}ßen geben Aufschluss {\"u}ber das L{\"o}sungsverhalten der untersuchten Substanzen, die zum Teil trotz augenscheinlich hydrophilen Merkmalen schlecht l{\"o}slich in Wasser sind. Zus{\"a}tzlich wurden mit Hilfe von MD-Simulationen mit dem Programm AMBER die inter- und intramolekularen Wechselwirkungsm{\"o}glichkeiten untersucht. Die Ausbildung intermolekularer Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen mit Wasser wurde mit Radialen-Dichteverteilungs-Funktionen (RDF) analysiert. Die M{\"o}glichkeit der Ausbildung von intramolekularen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen und deren Einfluss auf das L{\"o}sungsverhalten wurde {\"u}ber die Bindungsabst{\"a}nde und der Darstellung der polaren Oberfl{\"a}chen bestimmt.},
  subject      = {Thermodynamik},
  language  = {de}
}
@article{BauerNadler2010,
  author    = {Bauer, Wolfgang R. and Nadler, Walter},
  title     = {Thermodynamics of Competitive Molecular Channel Transport: Application to Artificial Nuclear Pores},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-68484},
  year      = {2010},
  abstract  = {In an analytical model channel transport is analyzed as a function of key parameters, determining efficiency and selectivity of particle transport in a competitive molecular environment. These key parameters are the concentration of particles, solvent-channel exchange dynamics, as well as particle-in-channel- and interparticle interaction. These parameters are explicitly related to translocation dynamics and channel occupation probability. Slowing down the exchange dynamics at the channel ends, or elevating the particle concentration reduces the in-channel binding strength necessary to maintain maximum transport. Optimized in-channel interaction may even shift from binding to repulsion. A simple equation gives the interrelation of access dynamics and concentration at this transition point. The model is readily transferred to competitive transport of different species, each of them having their individual in-channel affinity. Combinations of channel affinities are determined which differentially favor selectivity of certain species on the cost of others. Selectivity for a species increases if its in-channel binding enhances the species' translocation probablity when compared to that of the other species. Selectivity increases particularly for a wide binding site, long channels, and fast access dynamics. Recent experiments on competitive transport of in-channel binding and inert molecules through artificial nuclear pores serve as a paradigm for our model. It explains qualitatively and quantitatively how binding molecules are favored for transport at the cost of the transport of inert molecules.},
  subject      = {Thermodynamik},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Graeb2021,
  author    = {Gr{\"a}b, Patrick},
  title     = {Physikalisch-chemische Methoden und Experimente f{\"u}r Unterricht und Lehramtsstudium},
  doi       = {10.25972/OPUS-24763},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-247636},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Die Lehre von physikalisch-chemischen Inhalten in der universit{\"a}ren Lehramtsausbildung und im gymnasialen Chemieunterricht ist herausfordernd. M{\"o}gliche Ursachen hierf{\"u}r sind das teils hohe Abstraktionsniveau und fehlende Messger{\"a}te. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kosteng{\"u}nstige Messger{\"a}te entwickelt, mit denen Lernende in typische physikochemische Methoden und deren Anwendungen experimentell eingef{\"u}hrt werden k{\"o}nnen. Durch offen gestaltete und kontextbezogene Experimente zu Themenfeldern der Spektroskopie, Thermodynamik und Kinetik sollen Lernende einen ph{\"a}nomenologischen Zugang zur physikalischen Chemie finden. Durch eine entsprechende didaktische und experimentelle Aufarbeitung der Konzepte sollen insbesondere Sch{\"u}lerinnen und Sch{\"u}ler ohne gr{\"o}ßeres Vorwissen f{\"u}r physikalisch-chemische Inhalte im Sinne eines modernen und experimentell orientierten Chemieunterrichts begeistert werden.},
  subject      = {Hochschule},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Spitznagel2017,
  author    = {Spitznagel, Niko},
  title     = {Energy transfer during molten fuel coolant interaction},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-142891},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {The contact of hot melt with liquid water - called Molten Fuel Coolant Interaction (MFCI) - can result in vivid explosions. Such explosions can occur in different scenarios: in steel or powerplants but also in volcanoes. Because of the possible dramatic consequences of such explosions an investigation of the explosion process is necessary. Fundamental basics of this process are already discovered and explained, such as the frame conditions for these explosions. It has been shown that energy transfer during an MFCI-process can be very high because of the transfer of thermal energy caused by positive feedback mechanisms. Up to now the influence of several varying parameters on the energy transfer and the explosions is not yet investigated sufficiently. An important parameter is the melt temperature, because the amount of possibly transferable energy depends on it. The investigation of this influence is the main aim of this work. Therefor metallic tin melt was used, because of its nearly constant thermal material properties in a wide temperature range. With tin melt research in the temperature range from 400 °C up to 1000 °C are possible. One important result is the lower temperature limit for vapor film stability in the experiments. For low melt temperatures up to about 600 °C the vapor film is so unstable that it already can collapse before the mechanical trigger. As expected the transferred thermal energy all in all increases with higher temperatures. Although this effect sometimes is superposed by other influences such as the premix of melt and water, the result is confirmed after a consequent filtering of the remaining influences. This trend is not only recognizable in the amount of transferred energy, but also in the fragmentation of melt or the vaporizing water. But also the other influences on MFCI-explosions showed interesting results in the frame of this work. To perform the experiments the installation and preparation of the experimental Setup in the laboratory were necessary. In order to compare the results to volcanism and to get a better investigation of the brittle fragmentation of melt additional runs with magmatic melt were made. In the results the thermal power during energy transfer could be estimated. Furthermore the model of "cooling fragments " could be usefully applied.},
  subject      = {Vulkanologie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Weber2019,
  author    = {Weber, Manuel},
  title     = {Action-based quantum Monte Carlo approach to fermion-boson models},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-157643},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {This work deals with the development and application of novel quantum Monte Carlo methods to simulate fermion-boson models. Our developments are based on the path-integral formalism, where the bosonic degrees of freedom are integrated out exactly to obtain a retarded fermionic interaction. We give an overview of three methods that can be used to simulate retarded interactions. In particular, we develop a novel quantum Monte Carlo method with global directed-loop updates that solves the autocorrelation problem of previous approaches and scales linearly with system size. We demonstrate its efficiency for the Peierls transition in the Holstein model and discuss extensions to other fermion-boson models as well as spin-boson models. Furthermore, we show how with the help of generating functionals bosonic observables can be recovered directly from the Monte Carlo configurations. This includes estimators for the boson propagator, the fidelity susceptibility, and the specific heat of the Holstein model. The algorithmic developments of this work allow us to study the specific heat of the spinless Holstein model covering its entire parameter range. Its key features are explained from the single-particle spectral functions of electrons and phonons. In the adiabatic limit, the spectral properties are calculated exactly as a function of temperature using a classical Monte Carlo method and compared to results for the Su-Schrieffer-Heeger model.},
  subject      = {Monte-Carlo-Simulation},
  language  = {en}
}