Neue Unterrichtskonzepte zur Wärmelehre Entropie von Anfang an
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Neue Unterrichtskonzepte zur Wärmelehre Entropie von Anfang an Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Übersicht Die Entropie - eine Größe mit vielen Gesichtern (nach G. Job) Didaktische Begründung für „Entropie von Anfang an“ Ein Unterrichtsvorschlag Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 1 Die verschiedenen Gesichter der Entropie Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Das alltägliche Gesicht Jedermann spürt sie als Wärme - ständig und überall Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 2 Das informationstheoretische Gesicht Ein Informatiker misst damit den Umfang einer Nachricht Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Das statistische Gesicht Für den statistischen Physiker repräsentiert sie ein vieldimensionales Volumen Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 3 Das philosophische Gesicht Der Philosoph erblickt in ihr die Herrschaft des Zufalls Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Das chemische Gesicht Für den Chemiker ist sie der Inbegriff der Unordnung Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 4 Das thermodynamische Gesicht Der traditionelle Thermodynamiker sublimiert daraus ein formalistisches Gespenst Speyer, 11.10.2005 ∫ dQ T Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Welches Gesicht hat die Entropie für Sie? € Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 5 Didaktische Begründung für „Entropie von Anfang an“ Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Aus einem Lehrbuch: „Verwechsle nie die innere Energie mit der Wärme! Ein Körper hoher Temperatur hat viel innere Energie. Gibt er davon etwas ab, so nennt man die abfließende Energieportion, und nur diese, während des Abfließens Wärme. Im kalten Körper angekommen, ist es keine Wärme mehr; vielmehr wurde durch diesen Energieübergang dort die innere Energie und damit die Temperatur erhöht.“ (Dorn-Bader) Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 6 Ein Zitat: „The comprehension of the laws which govern any material system is greatly facilitated by considering the energy and entropy of the system in the various states of which it is capable.“ J. Williard Gibbs (1875) Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Die Gibbs‘sche Fundamentalform Thermoynamik Dynamik dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp... Elektrodynamik Speyer, 11.10.2005 Hydrodynamik Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 7 Die Gibbs‘sche Fundamentalform dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp... extensive Größen „Energieträger“ Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Die Gibbs‘sche Fundamentalform intensive Größen „Beladungsmaß“ dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp... extensive Größen „Energieträger“ Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 8 Die Gibbs‘sche In der Elektrizitätslehre: Fundamentalform intensive Größen „Beladungsmaß“ dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp... Könnten Sie sich vorstellen, die Elektrizitätslehre zu unterrichten, ohne den Begriff extensive Größen Elektrizität (bzw. elektrische Ladung) zu verwenden? „Energieträger“ Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz In der Wärmelehre: dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp... Könnten Sie sich vorstellen, die Wärmelehre zu unterrichten, ohne den Begriff Entropie zu verwenden? Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 9 Grundbegriffe: dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp... Energie Temperatur Speyer, 11.10.2005 Entropie Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Temperatur Die Temperatur charakterisiert den Zustand des Warmseins eines Körpers, unabhängig von dessen Größe, Masse, Material, etc. Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 10 Entropie Die Entropie ist etwas, das in dem Körper enthalten ist, abhängig von dessen Größe, Masse, Material, Temperatur, ... Die Entropie ist in etwa das, was wir umgangssprachlich Wärme nennen. Entropie wird als phänomenologische Größe betrachtet Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Energie Die Energie ist etwas, das in allem enthalten ist. Alles ist Energie und für alles braucht man Energie. Mit Entropie kann man Energie übertragen. Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 11 Ein Unterrichtsvorschlag Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Einführung und Unterscheidung von Temperatur und Etropie Temperatur: bekannt; Symbol ϑ; Einheit °C Entropie: was man umgangssprachlich „Wärmemenge“ nennt; Symbol S; Einheit Ct (Carnot) Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 12 Temperatur und Entropie • Je höher die Temperatur eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. • Je größer die Masse eines Gegenstandes ist, desto mehr Entropie enthält er. • Jetzt noch nicht entscheidbar • 1 Liter Wasser von Raumtemperatur enthält etwa 4000 Ct Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Temperaturunterschied als Antrieb für einen Entropiestrom • Entropie strömt von selbst von Stellen höherer zu Stellen niedrigerer Temperatur Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 13 AB: Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Die Wärmepumpe • Um Entropie von Stellen niedrigerer Temperatur zu Stellen höherer Temperatur zu bringen, braucht man eine Entropiepumpe (Wärmepumpe). Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 14 Die Wärmepumpe Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Die absolute Temperatur • 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. Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 15 Entropieerzeugung Entropie kann erzeugt werden • bei einer chemischen Reaktion (z.B. Verbrennung) • durch mechanische Reibung • in einem Draht, durch den ein elektrischer Strom fließt • um Entropie zu erzeugen, braucht man Energie Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Vergleich mit bekannten Größen Entropie kann erzeugt, aber nicht vernichtet werden Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden Impuls kann weder erzeugt noch vernichtet werden Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 16 Unumkehrbare Vorgänge Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss, 2002 Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Unumkehrbare Vorgänge Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss, 2002 Vorgänge, bei denen Entropie erzeugt wird, sind nicht umkehrbar. Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 17 Die Entropiestromstärke Entropiestromstärke Temperaturdifferenz Wärmewiderstand Querschnittsfläche Länge Speyer, 11.10.2005 Material Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Die Entropiestromstärke Mit einem Peltierelement lässt sich die Entropiestromstärke qualitativ bestimmen. Unser „Wärmeempfinden“ ist eher ein Gefühl für die Entropiestromstärke! Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 18 Die Entropie als Energieträger Tauchsieder Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Die Entropie als Energieträger Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 19 Die Entropie als Energieträger Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz Der Zusammenhang zwischen Energiestrom und Entropiestrom Derselbe Entropiestrom trägt einmal wenig, einmal viel Energie. Der Unterschied liegt in der Temperatur. Ein Entropiestrom der Stärke IS trägt einen Energiestrom der Stärke T·IS P= T·IS Speyer, 11.10.2005 P= ϕ·IQ Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 20 Wasserpumpe P zu Energie Energie Pab P1 Energie Drehimpuls ω2 Wasser g·h 2 ω1 g·h 1 Wärmepumpe P zu Energie Energie P ab Energie Drehimpuls ω2 P1 Entropie ω1 T2 T1 21 Energie Energie Wasserkraftwerk Wasser g ·h 2 g ·h 1 Elektrizität ϕ2 Energie ϕ1 Energie Peltier-Modul („Wärmekraftwerk“ kraftwerk“) Entropie T2 T1 Elektrizität ϕ2 ϕ1 Oberschlä Oberschlächtiges Wasserrad P ab P Nutz Energie P zu Energie Energie Wasser Drehimpuls g·h 2 g·h 1 ω2 ω1 22 Wärmekraftmaschine P ab P Nutz Energie P zu Energie Energie Entropie Drehimpuls T2 T1 ω2 ω1 Oberschlä Oberschlächtiges Wasserrad P ab P Nutz Energie P zu Energie Energie Wasser Drehimpuls g·h 2 g·h ω2 1 ω1 Wärmekraftmaschine P ab P Nutz Energie P zu Energie Energie Entropie Drehimpuls T2 T1 ω2 ω1 Thermodynamischer Wirkungsgrad (oder Carnot-Wirkungsgrad) Definition: η= PNutz Pzu Wenn keine zusä zusätzliche Entropie erzeugt wird, folgt mit P = T · IS der Carnot-Faktor η= T2 − T1 T2 23 Literatur Entropielehre I (Aulis Verlag) Energie und Entropie: Handreichung zum LP der SII (PZ-Info 1/2000) Praxis der Naturwissenschaften Physik Heft 2/49 Der Karlsruher Physikkurs Band 1 Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz www-Adressen Peltiermodule Allgemein: http://www.peltier-info.com/ Bezugsquellen (Auswahl) www.conrad.de www.melcor.com www.marlow.com Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 24 Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss, 2002 Speyer, 11.10.2005 Wolfgang Heuper, Fachseminar Physik Koblenz 25
