Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

lekülen im Raum, …), die von selbst ablaufen. Für die Entro- pie S gilt kein Erhaltungssatz. Wenn ein Körper bei der Temperatur T die Wärme Q aufnimmt, erhöht sich seine Entropie um Δ S = Q / T . Zusammengefasst gilt: Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre Wärme geht von selbst nur von einem Körper höherer Tem- peratur auf einen Körper tieferer Temperatur über. In abge- schlossenen Systemen bleibt die Entropie bei reversiblen Prozessen konstant, bei irreversiblen Vorgängen nimmt sie zu. Δ S ≥ 0 Die Expansion eines Gases in ein leeres Gefäß ist ein Bei- spiel für einen irreversiblen Prozess. Die spontane Umkeh- rung irreversibler Prozesse widerspricht dem zweiten Hauptsatz. Sie ist jedoch nicht unmöglich , sondern nach Boltzmanns Auffassung nur extrem unwahrscheinlich . Ludwig Boltzmann hat die Entropie in statistischer Weise gedeutet: Wegen der großen Zahl von Teilchen ist ein be- stimmter Zustand eines thermodynamischen Systems be- sonders wahrscheinlich, wenn er durch viele unterschiedli- che und jeweils gleich wahrscheinliche Anordnungen der Teilchen realisiert werden kann. Die Entropie S hängt von der Anzahl W möglicher Anordnungen ab: S = k · ln W . ( k ist die Boltzmann-Konstante.) Wärme- und Kältetechnik Aus dem zweiten Hauptsatz folgt die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 2. Art , einer periodisch arbeitenden Maschine, die Wärme vollständig in Arbeit umwandelt. Der Wirkungsgrad η einer Maschine ist definiert als η = abgegebene Nutzarbeit ____ aufgewandte Energie . Der Wirkungsgrad η einer periodisch arbeitenden Wärme- kraftmaschine, die Wärme einem Speicher der Temperatur T 1 entnimmt und bei der Temperatur T 2 Abwärme an die Umwelt abgibt, kann den idealen thermodynamischen Wir- kungsgrad η th = 1 – T 2 / T 1 nicht überschreiten. Die prinzipielle Beschränkung des Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen bedeutet: Die einem Wärmespeicher entnommene Energie kann nur zum Teil in Nutzarbeit umgewandelt werden, der andere Teil muss stets als Abwärme bei niedrigerer Temperatur ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Dieser Teil der Energie wird zwar nicht vernichtet – er wird jedoch entwertet, da er wegen der niedrigen Umgebungstempera- tur nicht mehr zur Gewinnung von Nutzarbeit dienen kann. Reale Wärmekraftmaschinen erreichen etwa 50% des idealen Wirkungsgrades. Kühlschrank und Wärmepumpe kehren die Funktion von Wärmekraftmaschinen um: Unter Einsatz von Arbeit wird der kühlere Wärmespeicher abgekühlt und der wärmere weiter erwärmt. Weiterführende Fragestellungen ATOME UND MOLEKÜLE 1 Warum gibt man Atom- und Molekülmassen in atoma- ren Masseneinheiten und Stoffmengen in Mol an? 2 Welche Kräfte und Bindungsarten wirken innerhalb von Molekülen, welche zwischen Molekülen? Wodurch hal- ten Festkörper bzw. Flüssigkeiten zusammen? 3 Welche Beiträge zu heutigen Vorstellungen vom Auf- bau der Materie leisteten Boyle, Dalton, Loschmidt, Boltzmann, Maxwell und Rutherford? Welche wichtigen Phänomene der Atomphysik wurden erst ab dem Ende des 19. Jh. entdeckt? THERMISCHE EIGENSCHAFTEN VON STOFFEN 1 Bringe Beispiele zur praktischen Bedeutung der Län- gen- und Volumenausdehnung in Natur und Technik bei großen Temperaturdifferenzen. Schätze die Effekte ab. 2 Diskutiere Möglichkeiten zur Wärmedämmung von Ge- bäuden. Was versteht man unter einem Niedrigenergie- haus bzw. Passivhaus? 3 Erläutere die Begriffe Temperatur und Wärme. Erkläre verschiedene Verfahren zur Temperaturmessung. ZUSTANDSÄNDERUNGEN 1 Wann werden Gase gut durch das Modell des idealen Gases beschrieben, wann versagt dieses Modell? 2 Was sagt die allgemeine Gasgleichung aus und für wel- che Prozesse ist sie von Bedeutung? 3 Welche Rolle spielt Wasser für Klima und Wetter unter Berücksichtigung der Verdampfungs- und Schmelzwär- me? ENERGIE UND ENTROPIE 1 Erläutere den 1. und den 2. Hauptsatz in Anwendung auf den Otto-Motor. 2 Was bedeutet der Begriff „innere Energie“? 3 Was bedeutet Irreversibilität von Naturvorgängen? 4 Wie wird Irreversibilität im Rahmen von Boltzmann’s statistischen Überlegungen erklärt? 132 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv