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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.

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Präsentation zum Thema: "Entropie. Abfragen der Präkonzepte Auf dem Tisch liegen ein Wollpullover und ein Stück Eisen. Beide fühlen sich unterschiedlich warm an. Wie erklärst."—  Präsentation transkript:

1 Entropie

2 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.

3 Was passiert bei einem Kühlschrank? Er wird innen kalt und hinten warm. Die „Wärme“, die innen war, wird herausgepumpt

4 Definition der Entropie Das, was der Kühlschrank herauspumpt, nennen wir (da der Begriff „Wärme“ in der Physik schon vergeben ist,) ENTROPIE.

5 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.

6 Antrieb für strömende Entropie Tasse heiß Tisch kalt h1 großer Druck h2 Kleiner Druck ENTROPIE fließt von Stellen hoher Temperatur zu Stellen niedrigerer Temperatur. Die Temperatur- differenz ist dabei der Antrieb. Sie fließt so lange, bis beide dieselbe Temperatur haben 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.

7 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

8 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

9 Entropie-Transport Entropie Entropie-Leitung Entropie-Strahlung Konvektion -> Beispiele / Zirkelpraktikum

10 Das Peltier-Element, eine Entropie- Pumpe Versuch: Peltier-Element an eine Taschenlampenbatterie anschließen und die unterschiedlichen Temperaturen auf beiden Seiten fühlen In der Umkehrung (eine Seite wird erwärmt, die andere abgekühlt) ist es eine Stromquelle. (Thermogenerator) Warm kalt

11 Entropie und Energie 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 Heiß Kalt Entropie Energie

12 Analogie: Vergleich mit Elektrischem Stromkreis bzw. Wasserstromkreis

13 Entropie 50°C45°C 20°C 15°C Energie Energie mit Entropie ALU Entropie Energie Entropiestromkreis

14 Zusammenhang zwischen Energie und Entropie ∆E = T∙∆S analog zu ∆E = U∙∆Q Maßeinheiten: [S]=[E]/[T]=1J/K 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: I E = T∙ I S P=U ∙ I

15 Gibbs ‘ sche Fundamentalform GFdE = T dS - pdV +  dQ +  dn +... GF / dt I E = P = T I S - p I V +  I Q +  I n +... =   i I xi Extensive Gr. Stromstärke Intensive Gr.Beitrag zu I E E dE / dt – – S dS / dt T T I S V dV / dt p p I V Q dQ / dt   I Q n dn / dt   I n

16 Entropieerzeugung Es wird an keiner Stelle kälter – wie kann dies sein? Versuch:

17 Entropieerzeugung Die Schüler erkennen: Entropieerzeugung und Irreversibilität hängen zusammen. Der Feuerwehr- mann gleitet an der Stange herunter Die Stange + Hände werden warm.

18 Entropiezunahme und Temperatur im Teilchenmodell Deutung der Brown‘schen Molekularbewegung durch Albert Einstein (1905). Je höher die Temperatur, desto heftiger die Bewegung.  Das Gewimmel wird größer

19 Entropieerzeugung Analogiebeispiele (auch abstrakter Art): LottokugelnPusteblume Gerücht Jeder selbstablaufende Prozess erzeugt Entropie; Jedoch: Die Energie bleibt erhalten.

20 Gummi spannen und entspannen Entropie als Maß der „Freiheitsgrade“ / „Unordnung“ Viel Entropie Wenig Entropie Entropie entweicht Entropie wird aufgenommen Es wird warm Es wird kalt Selbst- ablaufend

21 Interessante Fragen: Kann es ein Perpetuum Mobile geben? Kann es eine Zeitmaschine geben? Filme vorwärts und rückwärts zeigen.

22 Entropieerzeugung Fließt Elektrizität, so wird Entropie erzeugt. Fließt Entropie, so wird Entropie erzeugt.

23 Wärmeleitung T1T1 T2T2 Wärmeleiter Energie Mit Entropie ΔE 1 =T 1 · ΔS 1 ΔE 2 =T 2 · ΔS 2 EES: T 1 · ΔS 1 = T 2 · ΔS 2 Da T 1 > T 2 ist, muss ΔS 1 < ΔS 2 gelten. Energie „Verbraucher“ Entropie Ideal: ΔS 1 = ΔS 2 Entropie wird erzeugt

24 Wärmemaschinen Kopf mit Wasser tränkenKopf mit Spiritus tränken Die Enten schaffen zwischen zwei Temp.-niveaus T 1 =20°C T 2 =15°CT 2 =8°C

25 Lernzirkel Stirling Motor Otto Motor Eierboot OPITEC: Stirling Motor zum Selberbauen Atomkraftwerk: Die Wege der Energie und Entropie

26 Diagramm austeilen und diesen durch Schüler deuten lassen (sie kennen bereits ΔE=T· ΔS) Versuch zur Bestätigung erst anschließend machen. Wasser Entropie Temperatur in K Energie zum Schmelzen Energie zum Sieden Gefahrenhinweise und Bedeutung für den Alltag. Phasenübergänge Rel. wenig Energie

27 Was kühlt die Cola am besten? Kaltes Wasser aus dem Kühlschrank Eiswürfel aus dem Kühlschrank Crushed Eis

28 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

29 Wärmepumpen im Alltag Wo findet man solche Wärmepumpen? Funktionsweise klären. Wärme- pumpe Energie Elektrizität EnergieEnergie Muss man zahlen! Sole 10°C2°C Fußbodenheizung 35°C 25°C

30 VOMBODEENVOMBODEEN VONWÄRMEPUMEVONWÄRMEPUME

31 Vorlauf Rücklauf In die Erde

32 Einstieg mit Kühlschrank klären


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