Thermodynamik mit Entropie und Temperatur€¦ · H. Heuser – Unendlichkeiten 2010 If you can...

Thermodynamik mit

Entropie und Temperatur

michael@kit.edu

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1 Wärme und Entropie

2 Entropie und Temperatur

3 Entropiestrom

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

5 Entropie und Energie

6 Messen von Entropiemengen

MPohlig 3

Entropie kann man auf eine Art einführen “which every schoolboy could understand” (Callendar, 1911).

Callendar (1863-1930)

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 2010If you can live with entropy you can live with anything. amerikanischer Cartoonist zitiert v. H.Heuser

1 Wärme und Entropie

MPohlig

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Die Bedeutung der physikalischen Größe “Wärme” passt nicht zu dem, was Nicht-Physiker darunter verstehen.

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 “Entropie” passt sehr gut zu dem, was Nicht-Physiker unter Wärme verstehen.

1 Wärme und Entropie

MPohlig 5

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

1 Wärme und Entropie

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1 Wärme und Entropie

2 Entropie und Temperatur

3 Entropiestrom

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

5 Entropie und Energie

6 Messen von Entropiemengen

MPohlig

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Temperatur (in °C)

Wärme (Alltagssprache) wird auf die beiden Bechergläser verteilt

Wärme (Alltagssprache ) = Entropie in der Fachsprache

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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Ein Körper enthält umso mehr Entropie • Je größer der Körper ist. • Je höher seine Temperatur ist

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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SI-Einheiten – SI-kompatible Einheiten

1 cm³ Wasser von Normaltemperatur enthält etwa 4 Ct.

Name d. Größe Abkürzung Einheit Abkürzung

Entropie S Carnot Ct

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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Den Zustand der Temperaturgleichheit, der sich am Ende einstellt, nennt man thermisches Gleichgewicht.

Entropie strömt freiwillig von Stellen höheren zu Stellen niedrigerer Temperatur

Ein Temperaturunterschied ist ein Antrieb für einen Entropiestrom.

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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Impuls strömt freiwillig von Stellen höherer zu Stellen niedrigerer Geschwindigkeit.

Luft strömt freiwillig von Stellen höheren zu Stellen niedrigeren Drucks

Elektrizität strömt freiwillig von Stellen höheren zu Stellen niedrigeren elektrischen Potenzials.

Entropie fließt von selbst von Körpern höherer zu Körpern niedrigerer Temperatur.

MPohlig

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Die Atmosphäre nimmt Luft auf, ohne dass sich ihr Druck ändert.

Die Erde nimmt Elektrizität auf, ohne dass sich ihr Potenzial ändert.

Die Umgebung nimmt Entropie auf, ohne dass sich ihre Temperatur ändert.

Die Erde nimmt Impuls auf, ohne dass sich ihre Geschwindigkeit ändert.

MPohlig

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Entropiepumpen (Wärmepumpen) befördern Entropie von Stellen niedrigeren zu Stellen höherer Temperatur.

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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

Um elektrische Ladung vom niedrigen zum hohen Potenzial zu bringen, braucht man eine Ladungspumpe (Batterie, Generator).

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).

MPohlig

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Kühlschrank Heizung

Heizung und Kühlung

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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• 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.

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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Temperatur als Funktion der Entropie für 100 g Kupfer

2 Entropie und Temperatur

MPohlig

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T-S-Diagramm von 1 Mol Wasser

2 Entropie und Temperatur

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1 Wärme und Entropie

2 Entropie und Temperatur

3 Entropiestrom

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

5 Entropie und Energie

6 Messen von Entropiemengen

MPohlig

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el. Stromstärke hängt ab von

el. Widerstand hängt ab von

Potenzialunterschied

Querschnitt Länge

3 Entropiestrom

MPohlig

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Entropie-Stromst. hängt ab von

thermischer Widerstand

hängt ab von

Temperatur-unterschied

Querschnitt Länge

3 Entropiestrom

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1 Wärme und Entropie

2 Entropie und Temperatur

3 Entropiestrom

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

5 Entropie und Energie

6 Messen von Entropiemengen

MPohlig 23

Entropie kann erzeugt aber nicht vernichtet werden

1. bei chemischen Reaktionen (z.B. Verbrennen)

2. durch mechanische Reibung

3. in einem Draht, durch den Elektrizität fließt.

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

MPohlig 24

Vorgänge, bei denen Entropie erzeugt wird, sind nicht umkehrbar (irreversibel).

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

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1 Wärme und Entropie

2 Entropie und Temperatur

3 Entropiestrom

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

5 Entropie und Energie

6 Messen von Entropiemengen

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Entropie ist ein Energieträger

5 Entropie und Energie

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Je höher die Temperatur ist, desto mehr Energie transportiert die Entropie.

5 Entropie und Energie

MPohlig 28

Zwei “parallel geschaltete “Wärmepumpen fördern doppelt so viel Entropie und

SIP ~

5 Entropie und Energie

MPohlig 29

.~ constITPS=Δ bei

© M

Pohl

ig

SIP ~

SS

S

S

S

S

ITIT

ITTP

ITP

ITkP

ITP

⋅−⋅=

−=

⋅Δ=

⋅Δ⋅=

⋅Δ

12

12 )(

~

5 Entropie und Energie

MPohlig 30

Teilgebiet Extensive Größe

IntensiveGröße

Strom Energiestrom

E-Lehre Q ϕ I P = (ϕ2 - ϕ1) . I

Thermodynamik S T IS P = (T1 - T2) . IS

Mechanik p v F P = (v2 - v1) . F

Chemie n µ In P = (µ2 - µ1) . In

Rotationsmechanik L ω M P = (ω2 - ω1) . M

… … ... … …

5 Entropie und Energie

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Fließt Entropie durch einen Wärmewiderstand, so wird zusätzliche Entropie erzeugt.

5 Entropie und Energie

MPohlig 32

Die Wärmepumpe verbraucht um so mehr Energie – je mehr Entropie sie fördern

muss – je größer der

Temperaturunterschied ist, den sie zu überwinden hat .

Ein Entropiestrom der Stärke IS trägt einen Energiestrom der Stärke T . IS.

Die Temperatur gibt an, wie stark ein Entropiestrom mit Energie beladen ist.

5 Entropie und Energie

MPohlig 33

5 Entropie und Energie

MPohlig

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Wo kommt die Entropie her?

Natürliche EnergiequellenKünstliche Energiequellen Wärmekraftwerk (S erzeugen und konvektiv zuführen. Verbrennungsmotoren (S an ‚Ort und Stelle‘ erzeugen) [Stirlingmotor (nicht konvektiv)]

5 Entropie und Energie

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1 Wärme und Entropie

2 Entropie und Temperatur

3 Entropiestrom

4 Entropie und „zweiter Hautsatz“

5 Entropie und Energie

6 Messen von Entropiemengen

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Ct/s66,2Ct/s2

48,284,2=

+=SI

Ct558s2100Ct/s66,2 =⋅=Δ⋅=Δ tIS S

6 Messen von Entropiemengen

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∑ =Δ=Δi

iSS Ct5551

6 Messen von Entropiemengen

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