Neue Unterrichtskonzepte zur Wärmelehre. Entropie von Anfang an

Transkript

1 Neue Unterrichtskonzepte zur Wärmelehre Entropie von Anfang an Übersicht Die Entropie - eine Größe mit vielen Gesichtern (nach G. Job) Didaktische Begründung für Entropie von Anfang an Ein Unterrichtsvorschlag 1

2 Die verschiedenen Gesichter der Entropie Das alltägliche Gesicht Jedermann spürt sie als Wärme - ständig und überall 2

3 Das informationstheoretische Gesicht Ein Informatiker misst damit den Umfang einer Nachricht Das statistische Gesicht Für den statistischen Physiker repräsentiert sie ein vieldimensionales Volumen 3

4 Das philosophische Gesicht Der Philosoph erblickt in ihr die Herrschaft des Zufalls Das chemische Gesicht Für den Chemiker ist sie der Inbegriff der Unordnung 4

5 Das thermodynamische Gesicht Der traditionelle Thermodynamiker sublimiert daraus ein formalistisches Gespenst dq T Welches Gesicht hat die Entropie für Sie? 5

6 Didaktische Begründung für Entropie von Anfang an Aus einem Lehrbuch: Verwechsle nie die innere mit der Wärme! Ein Körper hoher Temperatur hat viel innere. Gibt er davon etwas ab, so nennt man die abfließende portion, und nur diese, während des Abfließens Wärme. Im kalten Körper angekommen, ist es keine Wärme mehr; vielmehr wurde durch diesen übergang dort die innere und damit die Temperatur erhöht. (Dorn-Bader) 6

7 Ein Zitat: The comprehension of the laws which govern any material system is greatly facilitated by considering the energy and entropy of the system in the various states of which it is capable. J. Williard Gibbs (1875) Die Gibbs sche Fundamentalform Thermoynamik Dynamik de = ϕ dq + T ds + p dv + v dp... Elektrodynamik Hydrodynamik 7

8 Die Gibbs sche Fundamentalform de = ϕ dq + T ds + p dv + v dp... extensive Größen träger Die Gibbs sche Fundamentalform intensive Größen Beladungsmaß de = ϕ dq + T ds + p dv + v dp... extensive Größen träger 8

9 Die Gibbs sche In der Elektrizitätslehre: Fundamentalform intensive Größen Beladungsmaß de = ϕ dq + T ds + p dv + v dp... Könnten Sie sich vorstellen, die Elektrizitätslehre zu unterrichten, ohne den Begriff Elektrizität (bzw. elektrische extensive Größen Ladung) zu verwenden? träger In der Wärmelehre: de = ϕ dq + T ds + p dv + v dp... Könnten Sie sich vorstellen, die Wärmelehre zu unterrichten, ohne den Begriff Entropie zu verwenden? 9

10 Grundbegriffe: de = ϕ dq + T ds + p dv + v dp... Temperatur Entropie Temperatur Die Temperatur charakterisiert den Zustand des Warmseins eines Körpers, unabhängig von dessen Größe, Masse, Material, etc. 10

11 Entropie Die Entropie ist etwas, das in dem Körper enthalten ist, abhängig von dessen Größe, Masse, Material, Temperatur,... Die Entropie ist in etwa das, was wir umgangssprachlich Wärme nennen. Entropie wird als phänomenologische Größe betrachtet Die ist etwas, das in allem enthalten ist. Alles ist und für alles braucht man. Mit Entropie kann man übertragen. 11

12 Ein Unterrichtsvorschlag Einführung und Unterscheidung von Temperatur und Etropie Temperatur: bekannt; Symbol ϑ; Einheit C Entropie: was man umgangssprachlich Wärmemenge nennt; Symbol S; Einheit Ct (Carnot) 12

13 Temperatur und Entropie Je höher die Temperatur eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. Je größer die Masse eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. Jetzt noch nicht entscheidbar 1 Liter Wasser von Raumtemperatur enthält etwa 4000 Ct Temperaturunterschied als Antrieb für einen Entropiestrom Entropie strömt von selbst von Stellen höherer zu Stellen niedrigerer Temperatur 13

14 AB: Die Wärmepumpe Um Entropie von Stellen niedrigerer Temperatur zu Stellen höherer Temperatur zu bringen, braucht man eine Entropiepumpe (Wärmepumpe). 14

15 Die Wärmepumpe Die absolute Temperatur Die tiefste Temperatur, die ein Gegenstand haben kann, ist -273,15 oc. Bei dieser Temperatur enthält er keine Entropie mehr: Bei ϑ =-273,15 oc ist S = 0 Ct. Der Nullpunkt der absoluten Temperaturskala liegt bei -273,15 oc. Die Maßeinheit der absoluten Temperatur ist das Kelvin. 15

16 Entropieerzeugung Entropie kann erzeugt werden bei einer chemischen Reaktion (z.b. Verbrennung) durch mechanische Reibung in einem Draht, durch den ein elektrischer Strom fließt um Entropie zu erzeugen, braucht man Vergleich mit bekannten Größen Entropie kann erzeugt, aber nicht vernichtet werden kann weder erzeugt noch vernichtet werden Impuls kann weder erzeugt noch vernichtet werden 16

17 Unumkehrbare Vorgänge Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss, 2002 Unumkehrbare Vorgänge Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss, 2002 Vorgänge, bei denen Entropie erzeugt wird, sind nicht umkehrbar. 17

18 Die Entropiestromstärke Entropiestromstärke Temperaturdifferenz Wärmewiderstand Querschnittsfläche Länge Material Die Entropiestromstärke Mit einem Peltierelement lässt sich die Entropiestromstärke qualitativ bestimmen. Unser Wärmeempfinden ist eher ein Gefühl für die Entropiestromstärke! 18

19 Die Entropie als träger Tauchsieder Die Entropie als träger 19

20 Die Entropie als träger Der Zusammenhang zwischen strom und Entropiestrom Derselbe Entropiestrom trägt einmal wenig, einmal viel. Der Unterschied liegt in der Temperatur. Ein Entropiestrom der Stärke I S trägt einen strom der Stärke T I S P= T I S P= ϕ I Q 20

21 Wasserpumpe P zu P ab P 1 Drehimpuls Wasser ω 2 ω 1 g h 2 g h 1 Wärmepumpe P zu P ab P 1 Drehimpuls Entropie ω 2 ω 1 T 2 T 1 21

22 Wasser Wasser- kraftwerk Elektrizität g h 2 g h 1 ϕ 2 ϕ 1 Entropie T 2 T 1 Peltier-Modul ( Wärme- kraftwerk ) ϕ 2 ϕ 1 Elektrizität P zu Oberschlächtiges chtiges Wasserrad P Nutz P ab Wasser g h 2 g h 1 ω 2 ω 1 Drehimpuls 22

23 P zu Wärmekraftmaschine P Nutz P ab Entropie Drehimpuls T 2 T 1 ω 2 ω 1 P zu Oberschlächtiges chtiges Wasserrad P Nutz P ab Wasser g h 2 g h 1 ω 2 ω 1 Drehimpuls P zu Wärmekraftmaschine P Nutz P ab Entropie Drehimpuls T 2 T 1 ω 2 ω 1 Thermodynamischer Wirkungsgrad (oder Carnot-Wirkungsgrad) PNutz Definition: η = P zu Wenn keine zusätzliche Entropie erzeugt wird, folgt mit P = T I S der Carnot-Faktor T2 T1 η = T 2 23

24 Literatur Entropielehre I (Aulis Verlag) und Entropie: Handreichung zum LP der SII (PZ-Info 1/2000) Praxis der Naturwissenschaften Physik Heft 2/49 Der Karlsruher Physikkurs Band 1 www-adressen Peltiermodule Allgemein: Bezugsquellen (Auswahl)

25 Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss,