Entropie 1

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 3

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

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. 5

Antrieb für strömende Entropie Tasse heiß Tisch kalt h2 Kleiner Druck h1 großer 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. 6

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 7

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 8

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

Das Peltier-Element, eine Entropie-Pumpe 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) 10

Entropie und Energie  Entropiestrom „ungleich“ Energiestrom 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 11

Analogie: Vergleich mit Elektrischem Stromkreis bzw. Wasserstromkreis 12

Entropiestromkreis 50°C 45°C ALU 15°C 20°C Entropie Energie Energie Energie mit Entropie 50°C 45°C Entropie ALU Entropie Entropie Energie Energie 15°C 20°C

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: IE= T∙ IS P=U ∙ I

Gibbs‘sche Fundamentalform GF dE = T dS - pdV +  dQ +  dn + ... GF / dt IE = P = T IS - p IV +  IQ +  In + ... =  i Ixi Extensive Gr. Stromstärke Intensive Gr. Beitrag zu IE E dE / dt – – S dS / dt T T IS V dV / dt p p IV Q dQ / dt   IQ n dn / dt   In

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

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

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

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

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

Filme vorwärts und rückwärts zeigen. 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, so wird Entropie erzeugt. Fließt Elektrizität, so wird Entropie erzeugt.

Wärmeleitung Entropie wird erzeugt T2 T1 ΔE1=T1· ΔS1 ΔE2=T2· ΔS2 „Verbraucher“ Energie T1 Energie T2 Wärmeleiter Entropie Mit Entropie ΔE1=T1· ΔS1 ΔE2=T2· ΔS2 Entropie wird erzeugt Ideal: ΔS1= ΔS2 EES: T1· ΔS1 = T2· ΔS2 Da T1 > T2 ist, muss ΔS1< ΔS2 gelten.

Wärmemaschinen T2=15°C T2=8°C T1=20°C T1=20°C Kopf mit Wasser tränken Kopf mit Spiritus tränken T2=15°C T2=8°C T1=20°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 Entropie Temperatur in K 273 373 Rel. wenig Energie Energie zum Schmelzen Energie zum Sieden Gefahrenhinweise und Bedeutung für den Alltag.

Was kühlt die Cola am besten? Crushed Eis Eiswürfel aus dem Kühlschrank 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! Wärme- pumpe 35°C Energie Entropie Energie Elektrizität 25°C Fußbodenheizung 10°C En e r g i 2°C Sole

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Einstieg mit Kühlschrank klären