Fragen zur Entropie

Die Entropie ist eine bilanzierfähige Grösse, bleibt in der Regel aber nicht erhalten. Deshalb sind die Physiker des 19. Jahrhunderts auf der Suche nach dem Wesen der Wärme zuerst auf die Energie (erster Hauptsatz der Thermodynamik) und erst später auf recht abenteuerlichem Weg auf die Entropie (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik) gestossen. Im 21. Jahrhundert sollte man die Irrwege unserer Vordenker aber nicht mehr abschreiten müssen, sondern direkt zur Sache gehen dürfen:

• die Entropie ist die mengenartige Grundgrösse der Thermodynamik
• die Entropie entspricht in etwa dem, was man im Alltag mit Wärme umschreibt
• die Entropie ist der Energieträger der Thermodynamik
  • die Stärke des Wärmeenergiestroms ist gleich absolute Temperatur mal Stärke des Entropiestromes
  • die in einem thermischen Prozess umgesetzte Leistung ist gleich Temperaturdifferenz mal Stärke des durchfliessenden Entropiestromes
• ein Körper wird wärmer, sobald man ihm Entropie zuführt; um ihn zu kühlen, muss man Entropie entziehen
• ein Stoff kann ohne Temperaturerhöhung Entropie aufnehmen (latente Wärme). Ein Stoff nimmt beim Schmelzen und Verdampfen latente Entropie auf. Gasförmige Stoffe können Entropie bei konstanter Temperatur aufnehmen, indem sie ihr Volumen vergrössern (isotherme Expansion)
• durch Reibung entsteht Entropie (bei jedem realen Prozess wird Entropie erzeugt)

Die folgenden Fragen sind im Sinne eines Ratespiels zu beantworten: Frage lesen, eigene Antwort überlegen und in der Lösung nachschauen. Wer mit der Antwort nicht einverstanden ist, wende sich an Prof. Werner Maurer (maur Affenschwanz zhaw Punkt ch).

1. Ein Liter Milch soll um 10°C erwärmt werden. Benötigt man dazu Energie oder Entropie?
2. Wieso ist eine Wärmepumpe ökologischer als eine Elektroheizung? Ist eine Wärmepumpe immer ökologischer als eine Gasheizung?
3. Wieso sollte der Kühlschrank nicht zu kalt eingestellt werden?
4. Warum kombiniert man Wärmepumpen in der Regel mit einer Bodenheizung?
5. Das Kernkraftwerk Gösgen hat eine thermische Leistung von 3000 MW und eine Bruttonennleistung von 1020 MW. Wieso gibt dieses Kraftwerk rund 2/3 der "produzierten" Energie ungenutzt über den Kühlturm ab.
6. Lawinen gleiten zu Tal, bewegte Körper kommen zur Ruhe, Akkus entladen sich mit der Zeit und sogar die Erde rotiert immer langsamer. Häufig werden all diese Phänomene mit der Energie erklärt, die gegen ein Minimum streben soll (weil die Energie erhalten bleibt, muss Energie aus dem System abgeführt werden). Welches physikalische Grundprinzip steckt nun wirklich hinter all den Phänomenen, wonach Prozesse die Tendenz haben, "freiwillig" nur in eine Richtung abzulaufen? Kennen Sie solch gerichtete Prozesse, bei dem die Energie des Systems konstant bleibt oder sogar zunimmt?
7. Presst man die in der Velopumpe enthaltene Luft zusammen, erhöht sich die Temperatur. Wie kann man das erklären?
8. Wieso überlebt man einen längeren Aufenthalt in der 80°C warmen Sauna, obwohl eine Körpertemperatur von mehr als 40°C schon recht gefährlich ist?
9. Was macht die Erde mit all der Entropie, die wir Menschen so leichtfertig produzieren?

Lösung