Skript zur Vorlesung Physik Teil 1 (Sommersemester) und Teil 2 ...

Skript zur Vorlesung Physik 1 und Physik 2 Seite 76
Prof. Dr. P. Kaul, Fachbereich Biologie Chemie und Werkstofftechnik,
Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg
S wird als Entropie bezeichnet. Für reversible Kreisprozesse ist die Entropieänderung Null. Bei einem irre-
versiblen Kreisprozess ist die abgeführte Arbeit bzw. die zugeführte Wärme größer als theoretisch im rever-
sibeln Kreisprozess. für solche Prozesse nimmt die Entropie stets zu und der Wirkungsgrad des irreversib-
len Prozesses ist kleiner als der des reversiblen Prozesses.
Für irreversible Prozesse gilt daher
Q
T
12
1
Q34
dQirr
+ < 0 bzw.
< 0
T ∫ T
2
Für die Entropie gilt in diesem Falle, dass der Endzustand der Entropie größer ist als der Anfangszustand.
Es können folgende Fälle unterschieden werden:
Ein abgeschlossener Prozess ist ohne äußere Energiezufuhr
• unmöglich, wenn ΔS < 0
• reversibel, wenn ΔS = 0
• irreversibel, wenn ΔS > 0
Das Entropieprinzip bestimmt somit die Richtung der Vorgänge. Dies ist ebenso eine Formulierung
des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.
Der erste Hauptsatz gibt die Energiebilanz bei thermodynamischen Prozessen an. Er sagt nichts darüber
aus, in welcher Weise diese Prozesse ablaufen.
Der zweite Hauptsatz gibt zusätzlich die Richtung dieser Prozesse an. Prozesse innerhalb eines abge-
schlossenen Systems können nur in eine Weise ablaufen, dass die Entropie stets zunimmt (oder maximal
gleich bleibt).
Beispiele:
• Ein Stein, der herunterfällt, wandelt seine Energie beim Aufprall in Wärme um. Es geschieht aber nicht,
dass der Stein von Selbst durch Aufnahme von Wärme nach oben springt.
• Zwei Gase, die ineinander diffundieren, trennen sich nicht wieder von selbst.
• Nach dem ersten Hauptsatz könnte ein Schiff durch Entzug von Wärme aus dem Ozean, diese Wärme
in Bewegungsenergie wandeln. Nach dem zweiten Hauptsatz ist dies jedoch nicht möglich.
• Formulierung von Clausius: Die Energie im Weltall bleibt konstant, die Entropie strebt einem Maximum
zu.
• Die Entropie ist ein Maß der Unordnung. Jedes abgeschlossene System strebt einem Maximum an Un-
ordnung zu.
Die Größen Entropie sowie andere thermodynamischen Potentiale (Enthalpie, freie Energie) sind in der
Chemie von großer Bedeutung, da sie bei Reaktionen die Richtung und den Ablauf sowie das Ende der
Reaktion beschreiben. Aus diesen Betrachtungen folgen z.B. das Massenwirkungsgesetz und das
Nernst'sche Wärmetheorem. Näheres hierzu findet sich in der Vorlesung der Physikalischen Chemie.