Arbeitsblatt: 2. Hauptsatz der Wärmelehre

Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre (Thermodynamik) Lernziele: 1 • Wissen, was der 1. Hauptsatz, ein irreversibler und reversibler Vorgang sowie die Entropie ist • Formulierung des 2. Hauptsatzes der Wärmelehre verstehen • Aufgaben: Ziel ist, Veränderungen der Entropie bei Beispielen selbst beschreiben zu können Den 2. Hauptsatz auf konkrete Situationen anwenden können 1. Hauptsatz der Thermodynamik Wärme ist eine besondere Form der Energie. Sie ist eine Form von Übertragungsenergie (somit innere Energie). Sie kann in andere Energieformen um- und wieder zurückgewandelt werden (z.B.: mechanische Arbeit, elektrische Energie, chemische Energie). Wird Wärme zugeführt, dann steigt die innere Energie des Körpers und es wird Arbeit verrichtet. Irreversibler Vorgang Vorgang in Natur und Technik, der von einem Ausgangszustand aus unbeeinflusst in eine bestimmte Richtung ablaufen und nicht wieder zum Ausgangszustand zurückkehrt. Dabei wird Wärme an die Umgebung abgegeben, das System gelangt in einen Zustand grösserer Unordnung und die Energie sowie die Teilchen des Systems streben der Gleichverteilung zu. Entropie Sie ist das Mass für die Unordnung in einem System, eine physikalische Grösse, mit der man die Irreversibilität (Nichtumkehrbarkeit) eines Vorganges kennzeichnen kann. Sie ist eine das System charakterisierende Zustandsgrösse: Bsp. 1: warme Flüssigkeit in Tasse steht in kühlem Raum: 2 Anfangszustand -- geordneter Zustand, da energetisch höhere Teilchen räumlich von energetisch tieferen getrennt -- energetisch höhere Teilchen sind auf beschränktes Raumgebiet konzentriert. Endzustand: Verteilung der Energie auf das ganze System -- Unordnung/ Entropie nimmt zu. Formelzeichen: Einheit: J K (Joule durch Kelvin) Der 2. Hauptsatz: 2 In einem abgeschlossenen System kann die Entropie (Mass der Unordnung) nicht abnehmen. Sie kann nur konstant bleiben oder zunehmen: S 0 Begriffserklärungen: Ordnung 1. Konzentration von Energie auf ein beschränktes Raumgebiet (System) 2. geordnete, gleiche Bewegung aller Teilchen eines Systems Unordnung 1. Ausbreitung der Energie auf ein grosses Raumgebiet (System) 2. ungeordnete Bewegung der Teilchen abgeschlossenes System Als abgeschlossen oder isoliert ist ein System definiert, das keine Energie, unabhängig von ihrer Erscheinungsform, mit seiner Umgebung austauschen kann. konkret: Wärme kann von selbst nie von einem kälteren Körper auf einen wärmeren übergehen. Bsp. 2: Zwei Menschen geben sich die Hand. M.1 hat kalte, M.2 warme Hände. Nun: Die Hände von M.1 werden wärmer, die von M.2 kühler. Bsp. 3: Wärmepumpe als Heizung -- Wärme wird an die kältere Umgebung abgegeben. Aufgaben: 1. a) Beschreibe den Anfangs- und Endzustand in Bezug auf die Entropie bei Bsp. 2. Mache eine Skizze. 2 b) Inwiefern trifft der 2. Hauptsatz der Wärmelehre hier zu? 2 2. Nenne ein Beispiel aus dem Alltag, wo die Entropie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt. 2 3. Kreuze die richtigen Aussagen an. Begründe jeweils kurz, warum die Antwort richtig/ falsch ist: Giesst man warmes Wasser in kaltes, so nimmt das warme Wasser die Wärme vom kalten auf. 2 Ordnung bedeutet hohe Entropie 1 Die Umkehrung irreversible Vorgänge gibt es nicht. 1 Aufgaben Lösungen: 1. a) Beschreibe den Anfangs- und Endzustand in Bezug auf die Entropie bei Bsp. 2. Mache eine Skizze. 2 Anfangszustand -- geordneter Zustand (niedere Entropie) da energetisch höhere Teilchen räumlich von energetisch tieferen getrennt -- energetisch höhere Teilchen sind auf beschränktes Raumgebiet konzentriert. Endzustand: Verteilung der Energie auf das ganze System -- Unordnung/ Entropie nimmt zu. b) Inwiefern trifft der 2. Hauptsatz der Wärmelehre hier zu? 2 Die Entropie nimmt zu und nicht ab -- die Unordnung unter den energetisch jeweils verschieden hohen Teilchen nimmt zu. 2. Nenne ein Beispiel aus dem Alltag, wo die Entropie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt. Begründe, weshalb die Entropie konstant bleibt. 2 20C warmes T-Shirt liegt in 20C warmen Raum: Teilchen von Shirt sind energetisch auf gleichem Niveau wie Raum -- Kein Austausch von energetisch unterschiedlichen Teilchen und somit Energie möglich. 3. Kreuze die richtigen Aussagen an. Begründe jeweils kurz, warum die Antwort richtig/ falsch ist: Giesst man warmes Wasser in kaltes, so nimmt das warme Wasser die Wärme vom kalten auf. 2 Wärme kann von selbst nie von einem kälteren Körper auf einen wärmeren übergehen. Ordnung bedeutet hohe Entropie 1 Gegenteil: Ordnung bedeutet niedere Entropie. Die Umkehrung irreversible Vorgänge gibt es nicht. 1 Irreversible Prozesse sind laut Definition nicht umkehrbar, sie verlaufen folglich nur in eine Richtung