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.“
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%.
Anhand der Formel erkennen wir sofort, dass der Wirkungsgrad nur 1 werden kann, wenn 
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.
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:
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:
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
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.