Big Bang HTL 4, Schulbuch

Hauptsätze der Thermodynamik 7 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 85 die ungeordnete Bewegungsenergie gleichmäßig. Beide Objekte bekommen dieselbe Temperatur. Warum? Weil dieser Zustand am wahrscheinlichsten ist ( F4 ). In diesem Zustand ist die ungeordnete Bewegungsenergie am ungeordnetsten und die Entropie somit am größten. Diese Überlegungen kann man zum 2. Hauptsatz der Wärmelehre zusammenfassen: Ein System nimmt von selbst immer den wahrscheinlichsten Zustand an, nämlich den der größten Unordnung bzw. der größten Entropie. Dieser abstrakte und scheinbar harmlos klingende Satz hat unglaubliche Konse- quenzen für unser Universum. Er sagt nämlich allgemein, dass dieses immer mehr in Unordnung kommt. Diese Un- ordnung ist unumkehrbar , also irreversibel . Die Kurve in Abb. 7.9 kann zum Beispiel nicht mehr in die Gegenrichtung laufen. Somit gibt der 2. Hauptsatz der Zeit eine eindeutige und nicht umkehrbare Richtung ( F6 ) . Info: Zeitumkehr Wenn alles gleich warm ist, dann kann von selbst keine Energie mehr fließen. Es sind dann zwar noch jede Menge Joule in der ungeordneten Bewegungsenergie enthalten, aber wir haben keine Chance mehr, an diese heranzukom- men und sie zu nützen. Deshalb ist diese Energie „wertlos“. Da bei jedem Übergang zwischen zwei Energieformen zwangsläufig auch ungeordnete Bewegungsenergie ent- steht, wird mit der Zeit die gesamte Energie in ungeordnete Bewegungsenergie umgewandelt. Diese verteilt sich dann gleichmäßig und wird für uns somit wertlos. Das, was wir im Alltag als „Energieverbrauch“ bezeichnen, ist also im Grun- de eine „Energieentwertung“. Die ungeordnete Bewegungs- energie ist der Energiefriedhof , denn früher oder später landet hier die gesamte Energie. Und von der völlig unge- ordneten Energie haben wir leider nichts mehr. Zusammenfassung Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre legt die Richtung fest, in die sich unser Universum entwickelt: Von Ordnung in Richtung Unordnung. Das führt für uns leider früher oder später zur Entwertung aller Energie. Z Bearbeite die Aufgaben! Hauptsätze der Thermodynamik Begründe, welchen Beleg es dafür gibt, dass ein Teil der Energie in Abb. 7.1 nicht im Klumpen bleibt, sondern in die Umgebung übergeht! L Berechne, wie viele Joule ungeordnete Bewegungs- energie im Wasser eines „Quadratsees“ mit 1 km Seitenlänge und 150m Wassertiefe bei 15 °C Wasser- temperatur stecken. Überlege, was man damit alles machen könnte. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4190 J · kg –1 · K –1 . L Ein Mensch kann auf Dauer eine Leistung von etwa 100 W (= 100 J pro Sekunde) abgeben. Berechne, wie lange er zum Beispiel auf einem Ergometer fahren müsste, damit er einen Liter Wasser mit 15 °C zum Kochen bringt (100 °C). L Erkläre mit Hilfe des Teilchenmodells, wie durch Reibung Wärme entsteht. L Berechne, aus welcher Höhe ein Wassertropfen im luftleeren Raum fallen muss, damit er sich um 1 °C erwärmt. L 7 F7 A2 F8 A1 F9 A1 F10 A2 F11 A1 Zeitumkehr Zur Zeit des Urknalls hatte das Universum den Zustand der höchsten Ordnung . Die Zeit zeigt nun aber von Richtung Ordnung in Richtung Unordnung. Die Szene in Abb. 7.6 ( F5 ) könnte zwar rein theoretisch so ablaufen, aber das ist mega-unwahrscheinlich. Um das besser zu verstehen, nehmen wir einen Spezialfall her: Abb. 7.10: Zeitumkehr! Wir nehmen vereinfacht an, dass der Stein keine Wärme nach außen abgibt. Ein Stein fällt auf den Boden (Abb. 7.6 a). Beim Aufprall kommt seine geordnete kinetische Energie in Unordnung und die Temperatur an der Unterseite erhöht sich. Die Wär- me breitet sich durch den ganzen Stein aus und schließlich ist er überall gleich warm . Das ist genauso, wie in Abb. 7.8 rechts. Zum Schluss befindet sich die Energie im Zustand der größten Unordnung. Rein theoretisch wäre es nun möglich, dass die Wärme von selbst wieder hinunterfließt (b), die Teilchen auf der Unter- seite gleichzeitig in eine Richtung schwingen und der Stein sich dadurch vom Boden abdrückt. Das würde aber eine plötzliche größere Ordnung bedeuten und ist mit der Zacke in Abb. 7.9 zu vergleichen. Je mehr Teilchen beteiligt sind, desto unwahrscheinlicher werden solche „Zeitrückläufe“. Im Kleinen können noch manche Schwankungen auftreten. Das sichtbare Universum hat aber etwa 10 80 Atome!!! Deshalb hat die Zeit im Universum nur eine Richtung! i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv