Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Hallo und ganz herzlich willkommen! Das Video heißt “Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik”. Du kennst die Entropie und du hast Sachaufgaben zur Entropie gelöst. Nachher kennst du verschiedene Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und du kennst dafür Beispiele. Erstens: Entropie-Wiederholung, Zweitens: Alltagsbeisiele mit thermodynamischen Hintergrund Drittens: der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, Viertens: das Perpetuum Mobile zweiter Art und Fünftens: der Wärmetod. Erstens: Entropie-Wiederholung. Die Entropie ist eine thermodynamische Zustandsgröße. Die Entropieänderung ΔS ist definiert als Quotient aus auf- oder abgegebener Wärme Q und der Temperatur T des Systems. Die Entropiedifferenz ΔS ist ein Maß für die Energieentwertung eines Systems. In abgeschlossenen Systemen ist mit der Entropieänderung immer ein Wärmeübergang von warm nach kalt verbunden. Die Entropie S charakterisiert die Unordnung eines Systems. Betrachten wir Wasser in drei Aggregatzuständen: als Eis, als flüssiges Wasser und als Dampf. Am geringsten sind Entropie und Unordnung bei Eis, größer bei Wasser und am größten beim Wasserdampf. Zweitens: Alltagsbeispiele mit thermodynamischen Hintergrund. Hier einige Beispiele, die den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verdeutlichen sollen: Der Kaffee in der Tasse kühlt ab, es wird gelüftet, der Vorgang des Parfümierens, Süßen von Tee, die Verschmutzung, die Wäschetrocknung, der Tauchsieder erwärmt Wasser, ein Teller zerbricht und schließlich gelangt der Zitronengeschmack in das Wasser. Was haben alle diese Erscheinungen miteinander gemein? Sie sind irreversibel und sie verlaufen mit Energieentwertung. Energieentwertung ist äquivalent zur Tatsache, dass die Unordnung des Systems steigt. Das heißt aber, dass die Entropieänderung während des Prozesses größer als null ist. Drittens: der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Der zweite Hauptsatz gibt Auskunft über die Richtung von thermodynamischen Vorgängen. Ich möchte euch einige Varianten vorstellen, es gibt noch weitere: Entropie kann erzeugt, aber nicht vernichtet werden. Eine weitere Formulierung: In einem abgeschlossenen System kann die Entropie nur zunehmen und niemals abnehmen. Oder die Variante: Alle natürlichen Vorgänge sind irreversibel. Sie laufen von selbst nur in eine Richtung unter Entropiezunahme ab. Ein weiterer Vorschlag: Wärme fließt von selbst stets von warm nach kalt. Die letzte Variante: Ein Perpetuum Mobile zweiter Art ist unmöglich. Diese Formulierung ist sicher unverständlich, ich möchte sie im Abschnitt Vier erklären. Viertens: das Perpetuum Mobile zweiter Art. Ein Perpetuum Mobile ist eine ewig laufende Maschine. Das Perpetuum Mobile zweiter Art produziert keine mechanische Energie aus dem Nichts, es besitzt eine Wirkungsgrad η von exakt 100%. Damit steht es nicht im Widerspruch zum ersten Hauptsatz der Thermodynamik, es erfüllt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Allerdings: ein Perpetuum Mobile zweiter Art verletzt den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Bei der thermodynamischen Betrachtungsweise haben wir ein heißes Wärmereservoir, rot, und ein kaltes Wärmereservoir, blau. Dazwischen befindet sich unser Perpetuum Mobile. Es nimmt aus dem heißen Wärmereservoir die Wärmemenge Q auf, diese wird vollständig in mechanische Energie W umgewandelt. In das kalte Wärmereservoir gelangt keinerlei Wärme. Der Wirkungsgrad eines solchen Perpetuum Mobile beträgt exakt η=100%. Das ist aber nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht erlaubt. In Wahrheit sieht die Wärmeübertragung in einer Wärmekraftmaschine so aus: Wir haben wieder ein heißes Wärmereservoir, rot, und ein kaltes Wärmereservoir, blau, dazwischen wirkt die Wärmekraftmaschine. Aus dem heißen Wärmereservoir gelangt die Wärmemenge Q1 in die Wärmekraftmaschine, ein geringerer Betrag an Wärmemenge, Q2, gelangt von der Wärmekraftmaschine in das kalte Wärmereservoir rechts. Die Verminderung der Wärmemenge von Q1 zu Q2 führt zur erzeugten mechanischen Energie W. Daraus folgt: aus der abgeleiteten Wärme Q2 kann keine mechanische Energie gewonnen werden. Auch der Carnot-Prozess zeigt einen direkten Bezug zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Beim Carnot-Prozess wird der thermische Wirkungsgrad betrachtet, dabei werden die Reibungsverluste nicht berücksichtigt. Der Carnot-Prozess definiert den maximalen thermischen Wirkungsgrad. Er berechnet sich als T1-T2T1, T1 und T2 sind die Temperaturen des heißen beziehungsweise kalten Wärmereservoirs. Dann gilt: T1 ist größer T2 und schließlich T2 ist größer als Null, denn die absoluten Temperaturen sind stets größer als null. Und daher folgt: Obwohl es keine Reibungsverluste gibt, ist der thermische Wirkungsgrad stets kleiner als eins. Wir stellen fest, ein Perpetuum Mobile zweiter Art ist unmöglich. Fünftens: der Wärmetod. Mit dem Bild hier möchte ich den Wärmetod symbolisieren. Was steckt dahinter? Den zweiten Hauptsatz kann man auch so formulieren: Die Entropie strebt zu einem Maximum. Wird das Maximum erreicht, wurden alle Energieformen zu Wärme. Der Prozess ist irreversibel. Daher spricht man hier vom Wärmetod. Ist der Wärmetod unausweichlich? Die Frage ist nicht geklärt und ich möchte zwei Argumente anführen. Zunächst ist es eine Frage der Zeit. Solange die Sonne scheint, wird es keinen Wärmetod geben. Alle unsere Überlegungen gelten für geschlossene Systeme. Das Universum hingegen ist aber nicht unbedingt geschlossen. Daher könnte man die Frage nach dem Wärmetod eventuell verneinen. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!