Entropie ist eine Zustandsgröße, die angibt, wie stark Energie in einem System verteilt und damit für Arbeit „gebunden“ ist. Bei reversiblen Vorgängen kann man die Entropieänderung über zugeführte oder abgeführte reversible Wärme und die Temperatur verknüpfen. Eine Entropiezunahme zeigt Irreversibilität an.

Kann Wärme von kalt nach warm fließen?

Wärme kann spontan nicht von kalt nach warm fließen, weil ein Wärmestrom ohne zusätzlichen Effekt immer von höherer zu niedrigerer Temperatur läuft. Von kalt nach warm gelingt Wärmeübertragung nur, wenn von außen Arbeit zugeführt wird, zum Beispiel in einer Wärmepumpe oder einem Kühlschrank.

Welche Beispiele gibt es für Entropie im Alltag?

Alltagsbeispiele für Entropie sind Vorgänge, die von selbst in eine Richtung laufen und nicht exakt umkehrbar sind. Zum Beispiel wird Reibungsarbeit beim Bremsen zu Wärme, ohne dass die Wärme das Fahrzeug wieder beschleunigt. Ein zweites Beispiel ist ein fallender Teigklumpen, der sich beim Aufprall erwärmt, aber nicht zurückspringt.

Warum erreicht eine Wärmekraftmaschine nie 100 Prozent Wirkungsgrad?

Eine Wärmekraftmaschine erreicht nie 100 Prozent Wirkungsgrad, weil sie Wärme nicht vollständig in Arbeit umwandeln kann, ohne zusätzlich Wärme an ein kälteres Reservoir abzugeben. Deshalb muss immer ein Teil der zugeführten Wärme als Abwärme bei einer niedrigeren Temperatur „übrig bleiben“. Idealisiert ergibt sich daraus eine obere Grenze, die von den Temperaturen und abhängt.

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Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

Hier erklären wir dir die Umwandlung von Wärme in technische Arbeit und damit den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Inhaltsübersicht

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Die Wissenschaftler Kelvin und Planck formulierten den zweiten Hauptsatz folgendermaßen:

„Es ist unmöglich, eine zyklisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die keinen anderen Effekt hat, als die Entnahme von Wärme aus einem Behälter und die Verrichtung eines gleichen Betrages an Arbeit.“

Definition des 2. Hauptsatz der Thermodynamik — Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

In einfachen Worten bedeutet das, dass mechanische Arbeit vollständig in Wärme umgewandelt werden kann, zum Beispiel Reibungswärme. Umgekehrt aber kann nur ein Teil der Energie umgewandelt werden, da bei der Umwandlung von Wärme zu mechanischer Energie immer Verluste entstehen. Dieser Prozess wird daher als irreversibel bezeichnet. Ein Prozess ist also dann irreversibel, wenn dessen exakter Ablauf nicht mehr umkehrbar ist.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik untersucht also, welcher Teil der Wärmeenergie eines Systems tatsächlich in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Dabei spielt es eine große Rolle in welche Richtung der Prozess abläuft.

Beispiel für den 2. Hauptsatz der Thermodynamik

In der Praxis findet dies Anwendung in einer Wärmekraftmaschine, also jener Maschine, die versucht Wärme in Arbeit umzuwandeln. Dabei ist ihr Wirkungsgrad immer geringer als 100%.

$n=\frac{(T_1 - T_2)}{T_1}$

Anhand der Formel erkennen wir sofort, dass der Wirkungsgrad nur 1 werden kann, wenn T_2 = 0 ist. Generell sind aber alle Prozesse irreversibel, bei denen Reibung stattfindet oder die spontan in eine Richtung ablaufen.

Schauen wir uns dazu noch ein anschauliches Beispiel an: Wenn du deinen Pizzateig aus einer bestimmten Höhe auf den Boden fallen lässt, erwärmt sich der Teig durch den Aufprall von 293 auf 295 Kelvin. Umgekehrt aber kommt der Teig nicht wieder zurück zu seiner Ursprungshöhe, wenn er wieder auf 293 Kelvin abkühlt.

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Entropieänderung

Untersuchen wir als nächstes, wie es sich damit in einem abgeschlossenen System verhält.
In einem abgeschlossenen System ohne Austausch von Materie oder Energie mit dem Umfeld, kann die Entropie nicht abnehmen, sondern nur größer werden oder gleichbleiben. Wenn es im Gleichgewicht steht, gilt:

$\Delta S_{System} + \Delta S_{Umgebung} = 0$

Eine solche Reaktion muss komplett reversibel ablaufen. Totale Reversibilität bedeutet, dass die Reaktion unendlich langsam verläuft, damit immer und überall gleiche Temperatur- und Druckbedingungen herrschen. Dieser Fall kann zwar in der Realität nie ganz eintreffen, trotzdem wird er theoretisch behandelt.

Für einen spontanen, reversiblen Ablauf in einem geschlossenen System mit gleichbleibendem Druck und gleichbleibender Temperatur wird die Entropieänderung definiert als:

$\Delta S = \frac{\Delta Q_{rev.}}{T}$

Die Entropieänderung ist ein Maß für die Irreversibilität von thermodynamischen Prozessen. Es gilt:

ΔS = 0                   reversibler beziehungsweise umkehrbarer thermodynamischer Prozess
ΔS > 0                   irreversibler und damit nicht-umkehrbarer thermodynamischer Prozess
ΔS < 0                   praktisch unmöglicher thermodynamischer Prozess

Änderung der Entropie — Entropieänderung als Maß für die Irreversibilität

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wärme durch eine periodisch arbeitende Maschine nicht vollständig in Arbeit umgewandelt und die Entropie in einem geschlossenen adiabaten System nicht geringer werden kann.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik — häufigste Fragen

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Was ist Entropie?

Entropie ist eine Zustandsgröße, die angibt, wie stark Energie in einem System verteilt und damit für Arbeit „gebunden“ ist. Bei reversiblen Vorgängen kann man die Entropieänderung über zugeführte oder abgeführte reversible Wärme und die Temperatur verknüpfen. Eine Entropiezunahme zeigt Irreversibilität an.
Kann Wärme von kalt nach warm fließen?

Wärme kann spontan nicht von kalt nach warm fließen, weil ein Wärmestrom ohne zusätzlichen Effekt immer von höherer zu niedrigerer Temperatur läuft. Von kalt nach warm gelingt Wärmeübertragung nur, wenn von außen Arbeit zugeführt wird, zum Beispiel in einer Wärmepumpe oder einem Kühlschrank.
Welche Beispiele gibt es für Entropie im Alltag?

Alltagsbeispiele für Entropie sind Vorgänge, die von selbst in eine Richtung laufen und nicht exakt umkehrbar sind. Zum Beispiel wird Reibungsarbeit beim Bremsen zu Wärme, ohne dass die Wärme das Fahrzeug wieder beschleunigt. Ein zweites Beispiel ist ein fallender Teigklumpen, der sich beim Aufprall erwärmt, aber nicht zurückspringt.
Warum erreicht eine Wärmekraftmaschine nie 100 Prozent Wirkungsgrad?

Eine Wärmekraftmaschine erreicht nie 100 Prozent Wirkungsgrad, weil sie Wärme nicht vollständig in Arbeit umwandeln kann, ohne zusätzlich Wärme an ein kälteres Reservoir abzugeben. Deshalb muss immer ein Teil der zugeführten Wärme als Abwärme bei einer niedrigeren Temperatur „übrig bleiben“. Idealisiert ergibt sich daraus eine obere Grenze, die von den Temperaturen und abhängt.

Thermodynamik verstehen

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik gehört zur Thermodynamik und beschreibt eine zentrale Grenze bei der Umwandlung von Wärme in Arbeit. Wer sich mit Thermodynamik beschäftigt, vergleicht Wärme, Arbeit, Zustandsgrößen und technische Prozesse in Systemen. So wird klar, warum Energie zwar erhalten bleibt, Prozesse aber nicht in jede Richtung gleich ablaufen. Weitere Videos dazu findest du in unserem Ingenieurwissenschaftenbereich.

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