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Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

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Die Autor*innen
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André Otto
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Entropie.

    Tipps

    Warmes Wasser hat eine größere Entropie als kaltes.

    Lösung

    Entropie ist der Begriff für die „Unordnung" eines Systems, und damit auch meist für seine Temperatur. Das macht den Begriff wichtig für die Thermodynamik.

    Mehr Wärme bedeutet mehr Entropie. Vorstellbar wird dies, wenn man sich vorstellt, dass die höhere Teilchenbewegung, die in wärmeren Stoffen nun mal herrscht, für größere Unordnung sorgt.

    Mit diesem Wissen können wir uns nun leichter vorstellen, wieso die Entropie von Eis kleiner der von Wasser, und die von Wasser kleiner der von Dampf ist.

  • Berechne die Entropieänderung des Systems.

    Tipps

    $1^\circ~\text{C}=274^\circ~\text{K}$

    Lösung

    So, wollen wir mal die Entropieänderung berechnen:

    Die Gleichung dafür lautet $\Delta S=\dfrac{Q}{T}$,

    wobei $T$ in Kelvin angegeben werden muss. Das sind ca. $300^\circ~\text{K}$.

    Nun einfach ausrechnen: $\Delta S=\dfrac{10000~\text{J}}{300^\circ~\text{K}}=33,3~\dfrac{\text{J}}{\text{K}}$.

  • Erkläre, wieso es kein Perpetuum mobile zweiter Art gibt.

    Tipps

    Denke an das Perpetuum mobile 1. Art, und bedenke, dass es hier ja auch einen Unterschied dazu geben muss.

    Lösung

    Das Perpetuum mobile zweiter Art hat, anders als das erster Art, einen Wirkungsgrad von genau 100%.

    Stellt man sich aber einen Wärmetauscher vor, welcher seine eigens produzierte Wärme immer wieder verwendet, um Arbeit zu verrichten, würde er ewig laufen. Die Umwandlung von Arbeit in Wärme ist aber irreversibel, daher verstößt dieser Vorgang gegen den 2. Hauptsatz der Thermodynamik.

    Der tatsächliche thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine o.ä. lässt sich durch den Carnot-Prozess definieren. Dieser ist z.B. für den Kühlschrank von Bedeutung.

  • Erkläre den 2. Hauptsatz der Thermodynamik.

    Tipps

    Ein Perpetuum mobile ist eine Maschine, welche einen Wirkungsgrad von 100% hat, und sich damit endlos „selbst erhält".

    Lösung

    Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik beschäftigt sich überwiegend mit der Entropie und der Richtung thermodynamischer Vorgänge.

    Er besagt, dass Entropie erzeugt und nicht vernichtet werden kann. Dadurch kann sie in abgeschlossenen Systemen nur zunehmen. Sie ist also immer positiv oder im Idealfall gleich 0.

    Deshalb widerspricht das Perpetuum mobile dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik.

  • Beschreibe den Begriff „irreversibel".

    Tipps

    Gehe die Begriffe durch und überlege, ob du andere Worte außer „irreversibel" findest.

    Lösung

    Das Wort „irreversibel" wird dir noch oft begegnen, es bedeutet unumkehrbar.

    Wärme fließt von selbst stets von warm nach kalt, der Vorgang ist also ohne Energiezufuhr irreversibel.

  • Berechne den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine.

    Tipps

    Wenn das Ergebnis in % gefordert wird, benutzt du also nicht die 0,... Zahl sondern den daraus ersichtlichen Prozentwert.

    Lösung

    Wenn man Reibung etc. vernachlässigt, kann man also mit nur zwei Thermometern den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine bestimmen.

    Dabei hilft die simple Gleichung $\dfrac{T_1-T_2}{T_1}$.

    Da wir hier überall die gleichen Einheiten haben und sie miteinander teilen, brauchen wir auch nicht in Kelvin umrechnen - das Ergebnis wird sowieso einheitslos sein.

    $\eta=\dfrac{90^\circ~\text{C}-18^\circ~\text{C}}{90^\circ~\text{C}}=0,8=80~\text{%}$

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