Entropie
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Entropie Abfragen der Präkonzepte Auf dem Tisch liegen ein Wollpullover und ein Stück Eisen. Beide fühlen sich unterschiedlich warm an. Wie erklärst du dir das? Was ist Kälte? Erkläre jemandem den Unterschied zwischen Temperatur, Wärme und Energie. Was passiert bei einem Kühlschrank? Er wird innen kalt und hinten warm. Die „Wärme“, die innen war, wird herausgepumpt Definition der Entropie Das, was der Kühlschrank herauspumpt, nennen wir (da der Begriff „Wärme“ in der Physik schon vergeben ist,) ENTROPIE. Entropie als mengenartige Größe Stellt man eine Tasse mit warmem Tee in den Kühlschrank, so pumpt er eine gewisse Menge an Entropie heraus, bei zwei Tassen (mit gleichviel Tee der selben Temperatur) das Doppelte (er läuft doppelt so lange). Aus einer heißeren Teetasse pumpt er ebenfalls mehr Entropie heraus. Je massereicher und heißer ein Körper ist, desto mehr Entropie enthält dieser. Antrieb für strömende Entropie Tasse heiß Tisch kalt ENTROPIE fließt von Stellen hoher Temperatur zu Stellen niedrigerer Temperatur. Die Temperaturdifferenz ist dabei der Antrieb. Sie fließt so lange, bis beide dieselbe Temperatur haben h1 großer Druck h2 Kleiner Druck WASSER fließt von Stellen hohen Druckes zu Stellen niedrigeren Drucks. Die Druckdifferenz ist dabei der Antrieb. Es fließt so lange, bis beide Drucke (Höhen) gleich sind. Festlegen einer Maßeinheit für die Entropie Diejenige Menge an Entropie S, die man benötigt, um 1cm³ Eis von 0°C zu schmelzen, beträgt 1,23Ct Dabei gilt 1Ct = 1 Carnot = 1J/K Da Eis die „Schmelzwärme“ 335J/g hat, benötigt man 335J bei der Temperatur 273K, also nach ∆E = T∆S folgt ∆S = 335J/273K ≈ 1,23J/K Absoluter Nullpunkt Wenn man Entropie aus einem Körper herauspumpt, wird er kälter. Das hat eine untere Grenze. Wenn alle Entropie herausgepumpt ist, ist die Temperatur auf den absoluten Nullpunkt gefallen. -> In der Schule: Kelvin-Skala Entropie-Transport •Entropie-Leitung •Entropie-Strahlung •Konvektion Entropie -> Beispiele / Zirkelpraktikum Das Peltier-Element, eine EntropiePumpe Versuch: Peltier-Element an eine Taschenlampenbatterie anschließen und die unterschiedlichen Temperaturen auf beiden Seiten fühlen Warm kalt In der Umkehrung (eine Seite wird erwärmt, die andere abgekühlt) ist es eine Stromquelle. (Thermogenerator) Entropie und Energie Entropie Heiß Kalt Die strömende Entropie transportiert auch Energie. Ein Teil dieser Energie wird vom Peltier-Element abgezweigt. Hier wirkt es als Generator. Vgl. Elektro-Motor und Dynamo Entropiestrom „ungleich“ Energiestrom Analogie: Vergleich mit Elektrischem Stromkreis bzw. Wasserstromkreis Entropiestromkreis Energie mit Entropie 50°C 45°C ALU Entropie Energie Entropie Entropie Energie ALU 15°C 20°C Zusammenhang zwischen Energie und Entropie ∆E = T∙∆S analog zu Maßeinheiten: [S]=[E]/[T]=1J/K ∆E = U∙∆Q Hätte man die Einheit von S zuerst festgelegt, z.B 1Carnot (1Ct), ergibt sich [T]=1J/Ct So hat man es bei der E-Lehre gemacht: [U]=1J/Q Umgeschrieben auf Ströme: IE= T∙ IS P=U ∙ I Gibbs‘sche Fundamentalform dE = T dS - pdV + dQ + dn + ... GF GF / dt dE dS dV dQ dn T p ... dt dt dt dt dt IE = P = T IS - p IV + IQ + In + ... = i Ixi Extensive Gr. Stromstärke Intensive Gr. Beitrag zu IE E dE / dt – – S V Q n dS / dt dV / dt dQ / dt dn / dt T p T IS p IV IQ In Entropieerzeugung Versuch: Es wird an keiner Stelle kälter – wie kann dies sein? Entropieerzeugung Der Feuerwehrmann gleitet an der Stange herunter Die Stange + Hände werden warm. Die Schüler erkennen: Entropieerzeugung und Irreversibilität hängen zusammen. Entropiezunahme und Temperatur im Teilchenmodell Je höher die Temperatur, desto heftiger die Bewegung. Deutung der Brown‘schen Molekularbewegung durch Albert Einstein (1905). Das Gewimmel wird größer Entropieerzeugung Analogiebeispiele (auch abstrakter Art): Lottokugeln Pusteblume Gerücht Jeder selbstablaufende Prozess erzeugt Entropie; Jedoch: Die Energie bleibt erhalten. Gummi spannen und entspannen Es wirdwird Entropie kalt aufgenommen Selbstablaufend Entropie Es wird entweicht warm Wenig Entropie Entropie als Maß der „Freiheitsgrade“ / „Unordnung“ Interessante Fragen: Kann es ein Perpetuum Mobile geben? http://www.hp-gramatke.de/perpetuum/index.htm Kann es eine Zeitmaschine geben? Filme vorwärts und rückwärts zeigen. Entropieerzeugung Fließt Entropie, Elektrizität, so wird Entropie erzeugt. Wärmeleitung „Verbraucher“ T1 Energie Energie Wärmeleiter T2 Entropie Mit Entropie ΔE1=T1· ΔS1 ΔE2=T2· ΔS2 Entropie wird Ideal: ΔS ΔSerzeugt 1= 2 = T EES: T1· ΔS1 2· ΔS2 S1 S 2 TT2 2 ist, ENutz Da T T11> S1 S 2 muss T1 T2 Eaufgenommen ΔS1<TΔS T1 1S2 1 gelten. Wärmemaschinen Kopf mit Wasser tränken T2=15°C T1=20°C Kopf mit Spiritus tränken T2=8°C T1=20°C Die Enten schaffen zwischen zwei Temp.-niveaus Lernzirkel Stirling Motor Otto Motor Eierboot OPITEC: Stirling Motor zum Selberbauen Atomkraftwerk: Die Wege der Energie und Entropie Phasenübergänge Diagramm austeilen und diesen durch Schüler deuten lassen (sie kennen bereits ΔE=T· ΔS) Versuch zur Bestätigung erst anschließend machen. Wasser Temperatur in K Rel. Energie zum wenig Energie zum Schmelzen Energie Sieden 373 273 Entropie Gefahrenhinweise und Bedeutung für den Alltag. Was kühlt die Cola am besten? Eiswürfel aus dem Kühlschrank Crushed Eis Kaltes Wasser aus dem Kühlschrank Weitere Beispiele für Phasenübergänge Eisschmelze in Gebirge Kühlung von Obst Frösteln im Schwimmbad „Trinkente“ Feuchtes Tuch aus dem Auto hängen Kühlung von Getränken bei LkW Fahrern Wärmepumpen im Alltag Wo findet man solche Wärmepumpen? Funktionsweise klären. Muss man zahlen! Wärmepumpe 35°C Energie Energie 25°C Fußbodenheizung Elektrizität 10°C E n e r g i e 2°C Sole In die Erde Einstieg mit Kühlschrank klären
