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
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Das alltägliche Gesicht

Jedermann spürt sie
als Wärme - ständig
und überall
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2
Das informationstheoretische
Gesicht

Ein Informatiker
misst damit den
Umfang einer
Nachricht
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Das statistische Gesicht

Für den statistischen
Physiker
repräsentiert sie ein
vieldimensionales
Volumen
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3
Das philosophische Gesicht

Der Philosoph
erblickt in ihr die
Herrschaft des
Zufalls
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Das chemische Gesicht

Für den Chemiker
ist sie der Inbegriff
der Unordnung
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4
Das thermodynamische
Gesicht

Der traditionelle
Thermodynamiker
sublimiert daraus ein
formalistisches
Gespenst
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∫
dQ
T
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Welches Gesicht hat die
Entropie für Sie?
€
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5
Didaktische Begründung für
„Entropie von Anfang an“
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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)
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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)
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Die Gibbs‘sche
Fundamentalform
Thermoynamik
Dynamik
dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp...
Elektrodynamik
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Hydrodynamik
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7
Die Gibbs‘sche
Fundamentalform
dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp...
extensive Größen
„Energieträger“
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Die Gibbs‘sche
Fundamentalform
intensive Größen „Beladungsmaß“
dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp...
extensive Größen
„Energieträger“
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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“
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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?
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9
Grundbegriffe:
dE = ϕ⋅dQ + T⋅dS + p⋅dV + v⋅dp...
Energie
Temperatur
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Entropie
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Temperatur

Die Temperatur charakterisiert den
Zustand des Warmseins eines Körpers,
unabhängig von dessen Größe, Masse,
Material, etc.
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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
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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.
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11
Ein Unterrichtsvorschlag
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Einführung und Unterscheidung
von Temperatur und Etropie


Temperatur:
bekannt; Symbol ϑ;
Einheit °C
Entropie: was man
umgangssprachlich
„Wärmemenge“
nennt; Symbol S;
Einheit Ct (Carnot)
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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
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Temperaturunterschied als
Antrieb für einen Entropiestrom
• Entropie strömt von selbst von Stellen höherer zu
Stellen niedrigerer Temperatur
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13
AB:
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Die Wärmepumpe
• Um Entropie von Stellen niedrigerer Temperatur zu
Stellen höherer Temperatur zu bringen, braucht man
eine Entropiepumpe (Wärmepumpe).
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14
Die Wärmepumpe
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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.
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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
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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
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16
Unumkehrbare Vorgänge
Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss, 2002
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Unumkehrbare Vorgänge
Quelle: Wolfgang Treffeisen, Studienseminar Neuss, 2002
Vorgänge, bei denen Entropie erzeugt wird, sind nicht
umkehrbar.
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Die Entropiestromstärke
Entropiestromstärke
Temperaturdifferenz
Wärmewiderstand
Querschnittsfläche Länge
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Material
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Die Entropiestromstärke


Mit einem Peltierelement lässt sich die
Entropiestromstärke qualitativ
bestimmen.
Unser „Wärmeempfinden“ ist eher ein
Gefühl für die Entropiestromstärke!
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18
Die Entropie als Energieträger
Tauchsieder
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Die Entropie als Energieträger
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19
Die Entropie als Energieträger
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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
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P= ϕ·IQ
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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
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