Thermodynamische Entropie
Die thermodynamische Entropie ist ein Maß dafür, wie organisiert oder unorganisiert Energie in einem System von Atomen oder Molekülen vorhanden ist. Sie wird in Joule Energie pro Einheit Kelvin gemessen. Die Entropie ist ein wichtiger Teil des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik.
Stellen Sie sich vor, dass eine Gruppe von Molekülen zehn Energieeinheiten besitzt. Wenn die Energie in diesen Molekülen perfekt organisiert ist, dann können die Moleküle zehn Arbeitseinheiten leisten. Wenn die Energie jedoch weniger organisiert ist (also die Entropie zunimmt), dann können die Moleküle vielleicht nur sechs Arbeitseinheiten leisten, obwohl sie immer noch zehn Energieeinheiten in sich tragen.
Wenn die totale Entropie erreicht ist, gibt es keine Energie mehr zum Ausgeben. Ein gutes Beispiel dafür ist eine Tasse heißer Tee. Der Tee hat im Vergleich zu dem Raum, in dem er sich befindet, sehr viel Energie. Mit der Zeit breitet sich die Wärme im Tee in den Raum aus. Der Tee wird kälter. Das liegt daran, dass sich die Energie (Wärme) im Tee in die Umgebung verlagert. Sobald der Tee kalt geworden ist, gibt es keine Wärme mehr, die sich ausbreiten kann. Der Tee hat die totale Entropie erreicht.
Es gibt zwei Arten dieser "Räume": Ein offenes System und ein geschlossenes System. Ein offenes System bedeutet, dass Energie (wie Wärme) frei in den Raum hinein und aus ihm heraus fließen kann. Ein geschlossenes System bedeutet, dass der Raum nach außen hin abgeschlossen ist; keine Energie kann hinein oder heraus fließen.
Im Falle des Tees war der Raum ein geschlossenes System, in das keine Energie eindringen konnte. Wir können es aber auch zu einem offenen System machen, indem wir ein Heizgerät in den Raum stellen. Wenn wir den Heizkörper einschalten, können wir die Wärme des Heizkörpers nutzen, um die Tasse Tee wieder aufzuwärmen. Es wurde neue Energie in den Raum gebracht. Die Entropie hat sich also verringert. Die Wärme, die vom Heizgerät in den Tee gelangte, kann dann wieder in den Raum gelangen, bis die Gesamtentropie erreicht ist. Darum geht es beim zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.
Ein Beispiel für ein offenes System aus dem wirklichen Leben ist die Erde. Sie erhält jeden Tag eine Menge Energie von der Sonne. Dadurch können Pflanzen wachsen und Wasser bleibt flüssig. Würden wir die Sonne wegnehmen, würden Pflanzen sterben und Wasser gefrieren, weil die Oberfläche unseres Planeten zu kalt wäre.
Fragen und Antworten
F: Was ist thermodynamische Entropie?
A: Die thermodynamische Entropie ist ein Maß dafür, wie organisiert oder desorganisiert Energie in einem System von Atomen oder Molekülen vorhanden ist. Sie wird in Joule Energie pro Einheit Kelvin gemessen.
F: Was besagt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik?
A: Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass, wenn die Gesamtentropie erreicht ist, keine Energie mehr aufgewendet werden kann.
F: Welche zwei Arten von "Räumen" werden im Text erwähnt?
A: Die beiden im Text erwähnten Arten von "Räumen" sind ein offenes System und ein geschlossenes System. Ein offenes System bedeutet, dass Energie (z.B. Wärme) frei ein- und ausströmen kann, während ein geschlossenes System bedeutet, dass es von der Außenwelt abgeschottet ist; es kann keine Energie ein- oder ausströmen.
F: Wie wirkt sich neue Energie auf die Gesamtentropie aus?
A: Neue Energie verringert die Gesamtentropie, weil sie eine bessere Organisation innerhalb des Systems ermöglicht. Wenn wir beispielsweise ein Heizgerät in einen Raum mit kaltem Tee stellen, können wir die Wärme des Geräts nutzen, um die Tasse Tee wieder zu erwärmen. Dadurch wird dem Raum neue Energie zugeführt, was die Gesamtentropie des Raums verringert.
F: Können Sie ein Beispiel für ein offenes System nennen?
A: Ein reales Beispiel für ein offenes System ist die Erde, da sie jeden Tag viel Energie von der Sonne erhält, die es den Pflanzen ermöglicht zu wachsen und das Wasser flüssig zu halten.
F: Wie wirkt sich das Erreichen der Gesamtentropie auf eine Tasse heißen Tees aus?
A: Wenn die totale Entropie für eine Tasse heißen Tees erreicht ist, kann keine Wärme mehr abgegeben werden, so dass der Tee kalt wird, da die gesamte Wärme in die Umgebung abgegeben wird.
