Entropieerzeugung als Antrieb

Guten Tag und ganz herzlich willkommen! Das Video heißt “Entropieerzeugung als Antrieb”. Du kennst die Entropie und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Nachher kannst du die Zusammenhänge zwischen folgenden Begriffen erläutern: Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, reversible und irreversible Prozesse, Arbeit und Entropie und Antrieb von Wärmekraftmaschinen. Der Film besteht aus sechs Abschnitten. Erstens: die Energieentwertung, Zweitens: der Stirlingmotor, Drittens: die Trinkente, Viertens: irreversible Prozesse und Energieerzeugung, Fünftens: dissipative Strukturen und Sechstens: Merkmale des Entropieantriebs. Erstens: die Energieentwertung. Den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik haben wir in verschiedenen Varianten besprochen. Hier noch eine Formulierung von mir. Es ist zwar möglich, Arbeit vollständig in Wärme umzuwandeln; es ist aber unmöglich, Wärme vollständig in Arbeit umzuwandeln. Das hat etwas zu tun mit der Energieentwertung, auch Dissipation oder Energiestreuung genannt. Das ist gleichbedeutend mit einer Veränderung der Entropie. Es wird nämlich gesagt, dass die Entropie stets wächst. Entropievergrößerung hat manchmal eine negative Belegung. Die Konsequenz ist der im 19. Jahrhundert vorausgesagte Wärmetod. Es gibt aber auch einen positiven Aspekt. So wird die Funktion von Wärmekraftmaschinen dadurch eigentlich erst möglich. Erinnern wir uns an das Schema einer Wärmekraftmaschine. Das ist die Wärmekraftmaschine. Das ist ein heißes Wärmereservoir; von dort strömt Wärme Q1 durch die Wärmekraftmaschine. Außerdem wird ein kaltes Reservoir benötigt. Im kalten Reservoir kommt eine geringere Wärmemenge Q2 an. Die Differenz aus Q1 und Q2 ergibt die geleistete Arbeit W. Es kommt zur Energieentwertung. Das heißt ∆S größer Null, die Entropiezunahme, ist notwendig. Sie erst ist die Voraussetzung für den Antrieb. Zweitens: der Stirlingmotor. Die Wärme, in unserem Fall durch das Teelicht erzeugt, durchläuft den Stirlingmotor. Ein Teil dieser Wärme wird in Arbeit umgewandelt; der übrige Teil wird an die Umgebung abgegeben. Die Entropie des Prozesses ist demnach größer als Null. Die Energieentwertung ist irreversibel. Durch Wärmezufuhr von außen wird der Prozess fortgesetzt. Drittens: die Trinkente. Vielleicht habt Ihr sie schon einmal gesehen, in einem Schaufenster oder auf YouTube. Man sagt, dass selbst der große Einstein sich nicht erklären konnte, wie diese Ente funktioniert. Bevor wir zu ihrer Wirkungsweise kommen, schauen wir uns das Spielzeug einmal an. So sieht die Ente von vorne aus: Ihr Kopf besteht aus einem flauschigen Material, das in der Lage ist, gut Wasser aufzunehmen. Im Bauch unten befindet sich eine mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit. Der lange dünne Hals der Ente ist hohl; durch ihn, werden wir sehen, steigt die Flüssigkeit nach oben. Und noch eine Besonderheit hat unsere Trinkente, schaut einmal her: Wenn ich die Ente auf den Kopf stelle, läuft die Flüssigkeit aus dem Bauch nicht in den Kopf. Das heißt, im Ruhezustand ist der Innenraum geschlossen. Wie funktioniert unsere Ente? Wir brauchen ein Trinkgefäß und eine Auflage, auf der die Ente aufsitzt . Es ist wichtig, dass der Kopf der Ente mit dem Wasser des Trinkgefäßes angefeuchtet wird, und dann müssen wir die Ente in Bewegung setzen. Also, erstens Befeuchtung und Bewegung. Nun geschieht etwas, was wir nicht sehen, was aber der springende Punkt an der ganzen Bewegung der Ente ist. Wisst ihr, was ich meine? Es kommt zweitens zu einer irreversiblen Verdunstung des Wassers aus dem Kopf der Ente. Dieser Prozess ist mit Entropiezunahme verbunden. Durch die Verdunstung kühlt der obere Teil der Ente, ihr Kopfbereich, ab; wir notieren drittens Abkühlung. Dadurch entsteht im Hohlraum der Ente ein Unterdruck; wir notieren viertens Unterdruck. Durch den Unterdruck kommt es zu einem Anstieg des Lösungsmittels aus dem Bauch nach oben; wir notieren fünftens Anstieg Lösungsmittel. Durch den Anstieg des Lösungsmittels kommt es zu einer Hebelbewegung der Ente. Die Ente wird kopflastig; wir notieren dies unter Punkt Sechs. Die Ente taucht in das Wasser ein. So, nun zeige ich noch einmal alles im Ganzen. Die Ente bewegt sich, ihr Kopf wird befeuchtet. Es kommt zur irreversiblen Verdunstung des Wassers aus dem Kopf der Ente, das führt zur Abkühlung. Dadurch entsteht im Röhrchen ein Unterdruck, der führt zum Anstieg des Lösungsmittels. Das hat die Hebelbewegung der Ente zur Folge, die Ente wird kopflastig und taucht wieder in das Wasser und so weiter. Bei diesem Prozess wird die irreversible Entropiezunahme des Systems ausgenutzt. Für die Verdunstung des Wassers wird mehr Wärme benötigt als für die Verdunstung des Lösungsmittels.  Viertens: irreversible Prozesse und Energieerzeugung. Wir können somit feststellen: jeder irreversible Prozess kann für die Erzeugung von mechanischer, elektrischer und chemischer Energie genutzt werden. Fünftens: dissipative Strukturen. Dissipative Strukturen sind selbstorganisierende, geordnete Strukturen fern vom thermodynamischen Gleichgewicht. Sie sind nur möglich in offenen Nichtgleichgewichtsystemen. Die Entropie nimmt dabei lokal ab. Das heißt, bei der Bildung der dissipativen Strukturen kommt es zur einer Entropieabnahme. Ist das ein Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik? Nein, denn die Änderung der Gesamtentropie, das heißt die Änderung der Entropie zur Bildung der dissipativen Struktur und die Änderung der Entropie der Umgebung, ist größer als Null. Wichtig ist allerdings, dass der Betrag der Änderung der Entropie der Umgebung größer ist als der Betrag der Änderung der Entropie bei Bildung der dissipativen Struktur. Und natürlich muss SUmgebung in jedem Fall größer als Null sein, sonst funktioniert es nicht. Und SDS ist wie wir schon gesagt haben in jedem Fall kleiner als Null. Beispiele für dissipative Strukturen sind Lebewesen, ein Ökosystem und auch eine brennende Kerze. Und schließlich kommen wir zum letzten Abschnitt, Sechstens: Merkmale des Entropieantriebs. Zunächst besteht ein Ungleichgewicht, wir haben es mit einem irreversiblen Vorgang zu tun. Als zweites muss ein Wärmestrom bestehen. Drittens: die Richtung des Wärmestroms geht stets von warm nach kalt. Viertens: der Prozess ist durch die Entropiezunahme gekennzeichnet. Fünfstens: das System wird von außen laufend mit Wärme gespeist. Und schließlich Sechstens: der technische Wirkungsgrad ist kleiner als thermische Wirkungsgrad. Der ist kleiner als T1-T2T1, T1 und T2 sind die Temperaturen des heißen und kalten Wärmereservoirs. Und das ist folglich stets kleiner als eins. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!