Thermodynamik mit Entropie und Temperatur.

Transkript

1 Thermodynamik mit Entropie und Temperatur 1

2 1 Wärme und Entropie 2 Entropie und Temperatur 3 Entropiestrom 4 Entropie und zweiter Hautsatz 5 Entropie und Energie 6 Messen von Entropiemengen 2

3 1 Wärme und Entropie Entropie ist ein schwieriger Begriff Hüfner und Löhken MNU Juni 2011 Das Konzept der Entropie ist ohne Zweifel eins der okkultesten Konzepte der Physik H. Heuser Unendlichkeiten 2010 If you can live with entropy you can live with anything. amerikanischer Cartoonist zitiert v. H.Heuser Entropie kann man auf eine Art einführen which every schoolboy could understand (Callendar, 1911). Callendar ( ) MPohlig 3

4 1 Wärme und Entropie 4 Die physikalische Größe Wärme ist eine Austauschgröße (Prozessgröße). Das Wort Wärme steht in der Umgangssprache für etwas, das man irgendwo hinein tut während man es erwärmt. Die Bedeutung der physikalischen Größe Wärme passt nicht zu dem, was Nicht-Physiker darunter verstehen. Die Bedeutung der physikalischen Größe Entropie passt sehr gut zu dem, was Nicht-Physiker unter Wärme verstehen. MPohlig

5 1 Wärme und Entropie Ersetze in einem deutschen Satz (Nichtphysiker, SchülerIn) durch Entropie und der Satz bleibt (auch für Physiker) richtig Welche Größe drückt das das wie warm sein sein aus? S, T Q, φ p, v MPohlig 5

6 1 Wärme und Entropie 2 Entropie und Temperatur 3 Entropiestrom 4 Entropie und zweiter Hautsatz 5 Entropie und Energie 6 Messen von Entropiemengen 6

7 2 Entropie und Temperatur 7 Temperatur (in C) Wärme (Alltagssprache) wird auf die beiden Bechergläser verteilt Wärme (Alltagssprache ) = Entropie in der Fachsprache MPohlig

8 2 Entropie und Temperatur 8 Ein Körper enthält umso mehr Entropie Je größer der Körper ist. Je höher seine Temperatur ist MPohlig

9 2 Entropie und Temperatur 9 Name d. Größe Abkürzung Einheit Abkürzung Entropie S Carnot Ct SI-Einheiten SI-kompatible Einheiten 1 cm³ Wasser von Normaltemperatur enthält etwa 4 Ct. MPohlig

10 2 Entropie und Temperatur 10 Entropie strömt freiwillig von Stellen höheren zu Stellen niedrigerer Temperatur Ein Temperaturunterschied ist ein Antrieb für einen Entropiestrom. Den Zustand der Temperaturgleichheit, der sich am Ende einstellt, nennt man thermisches Gleichgewicht. MPohlig

11 Entropie fließt von selbst von Körpern höherer zu Körpern niedrigerer Temperatur. 11 Luft strömt freiwillig von Stellen höheren zu Stellen niedrigeren Drucks Impuls strömt freiwillig von Stellen höherer zu Stellen niedrigerer Geschwindigkeit. Elektrizität strömt freiwillig von Stellen höheren zu Stellen niedrigeren elektrischen Potenzials. MPohlig

12 Die Umgebung nimmt Entropie auf, ohne dass sich ihre Temperatur ändert. 12 Die Atmosphäre nimmt Luft auf, ohne dass sich ihr Druck ändert. Die Erde nimmt Impuls auf, ohne dass sich ihre Geschwindigkeit ändert. Die Erde nimmt Elektrizität auf, ohne dass sich ihr Potenzial ändert. MPohlig

13 2 Entropie und Temperatur 13 Entropiepumpen (Wärmepumpen) befördern Entropie von Stellen niedrigeren zu Stellen höherer Temperatur. MPohlig

14 Um Entropie von niedrigerer zu höherer Temperatur zu bringen, braucht man eine Entropiepumpe (Wärmepumpe). 14 Um Luft vom niedrigerem zu höherem Druck zu bringen, braucht man eine Luftpumpe. Um Impuls vom niedrigerer zu höherer Geschwindigkeit zu bringen, braucht man eine Impulspumpe (Motor, Feder, Mensch). Um elektrische Ladung vom niedrigen zum hohen Potenzial zu bringen, braucht man eine Ladungspumpe (Batterie, Generator). MPohlig

15 2 Entropie und Temperatur 15 Kühlschrank Heizung Heizung und Kühlung MPohlig

16 2 Entropie und Temperatur 16 Die tiefste Temperatur, die ein Gegenstand haben kann, ist -273,15 o C. Bei dieser Temperatur enthält er keine Entropie mehr: Bei ϑ =-273,15 o C ist S = 0 Ct. Der Nullpunkt der absoluten Temperaturskala liegt bei -273,15 o C. Die Maßeinheit der absoluten Temperatur ist das Kelvin. MPohlig

17 2 Entropie und Temperatur 17 Temperatur als Funktion der Entropie für 100 g Kupfer MPohlig

18 2 Entropie und Temperatur 18 T-S-Diagramm von 1 Mol Wasser MPohlig

19 1 Wärme und Entropie 2 Entropie und Temperatur 3 Entropiestrom 4 Entropie und zweiter Hautsatz 5 Entropie und Energie 6 Messen von Entropiemengen 19

20 3 Entropiestrom 20 el. Stromstärke hängt ab von Potenzialunterschied el. Widerstand hängt ab von Querschnitt Länge MPohlig

21 3 Entropiestrom 21 Entropie- Stromst. hängt ab von Temperaturunterschied thermischer Widerstand hängt ab von Querschnitt Länge MPohlig

22 1 Wärme und Entropie 2 Entropie und Temperatur 3 Entropiestrom 4 Entropie und zweiter Hautsatz 5 Entropie und Energie 6 Messen von Entropiemengen 22

23 4 Entropie und zweiter Hautsatz 1. bei chemischen Reaktionen (z.b. Verbrennen) 2. durch mechanische Reibung 3. in einem Draht, durch den Elektrizität fließt. Entropie kann erzeugt aber nicht vernichtet werden MPohlig 23

24 4 Entropie und zweiter Hautsatz Vorgänge, bei denen Entropie erzeugt wird, sind nicht umkehrbar (irreversibel). MPohlig 24

25 1 Wärme und Entropie 2 Entropie und Temperatur 3 Entropiestrom 4 Entropie und zweiter Hautsatz 5 Entropie und Energie 6 Messen von Entropiemengen 25

26 5 Entropie und Energie Entropie ist ein Energieträger MPohlig 26

27 5 Entropie und Energie Je höher die Temperatur ist, desto mehr Energie transportiert die Entropie. MPohlig 27

28 5 Entropie und Energie Zwei parallel geschaltete Wärmepumpen fördern doppelt so viel Entropie und P ~ I S MPohlig 28

29 5 Entropie und Energie P ~ I S P ~ Δ T bei I const. S = P ~ ΔT I S P = k ΔT I S MPohlig 29 P P = ΔT = = T I I S S ( T T ) I T S 1 I S MPohlig

30 5 Entropie und Energie Teilgebiet Extensive Größe Intensive Größe Strom Energiestrom E-Lehre Q ϕ I P = (ϕ 2 - ϕ 1 ). I Thermodynamik S T I S P = (T 1 - T 2 ). I S Mechanik p v F P = (v 2 - v 1 ). F Chemie n µ I n P = (µ 2 - µ 1 ). I n Rotationsmechanik L ω M P = (ω 2 - ω 1 ). M... MPohlig 30

31 5 Entropie und Energie Fließt Entropie durch einen Wärmewiderstand, so wird zusätzliche Entropie erzeugt. MPohlig 31

32 5 Entropie und Energie Ein Entropiestrom der Stärke I S trägt einen Energiestrom der Stärke T. I S. Die Temperatur gibt an, wie stark ein Entropiestrom mit Energie beladen ist. Die Wärmepumpe verbraucht um so mehr Energie je mehr Entropie sie fördern muss je größer der Temperaturunterschied ist, den sie zu überwinden hat. MPohlig 32

33 5 Entropie und Energie MPohlig 33

34 5 Entropie und Energie 34 Wo kommt die Entropie her? Natürliche Energiequellen Künstliche Energiequellen Wärmekraftwerk (S erzeugen und konvektiv zuführen. Verbrennungsmotoren (S an Ort und Stelle erzeugen) [Stirlingmotor (nicht konvektiv)] MPohlig

35 1 Wärme und Entropie 2 Entropie und Temperatur 3 Entropiestrom 4 Entropie und zweiter Hautsatz 5 Entropie und Energie 6 Messen von Entropiemengen 35

36 6 Messen von Entropiemengen I S = 2, ,48 Ct/s = 2,66 Ct/s ΔS = I S Δt = 2,66 Ct/s 2100s = 558Ct MPohlig 36

37 6 Messen von Entropiemengen ΔS = ΔS i = i 5551Ct MPohlig 37

38 EN DE MPohlig 38