Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eines der Grundprinzipien der Physik und hat tiefgreifende Auswirkungen sowohl auf natürliche Systeme als auch auf technologische Anwendungen. Dieses Gesetz legt Folgendes fest:
„Die Entropiemenge im Universum nimmt mit der Zeit tendenziell zu.“
Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass natürliche Prozesse zur Unordnung neigen und die zur Arbeitsverrichtung verfügbare nutzbare Energie mit der Zeit abnimmt.
Energie, Wärme und Arbeit: Was wahr ist und was nicht
Einer der wesentlichen Aspekte dieses Gesetzes besteht darin, dass zwar alle mechanische Arbeit vollständig in Wärme umgewandelt werden kann, der umgekehrte Fall jedoch nicht zutrifft: Nicht alle Wärme kann in Arbeit umgewandelt werden. Diese Einschränkung definiert einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad, den sogenannten Carnot-Wirkungsgrad, der ausschließlich von der Temperatur der heißen und kalten Quellen abhängt.
Vergleich mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik
Gemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, dem Energieerhaltungssatz, wird Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt. Diese Idee lässt sich in der Gleichung zusammenfassen:
\[ \Delta U = Q - W \]
Wo:
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\( \Delta U \) ist die Änderung der inneren Energie des Systems.
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\( Q \) ist die absorbierte Wärme.
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\( W \) ist die vom System geleistete Arbeit.
Dieses Gesetz gibt jedoch nicht an, in welche Richtung die Prozesse ablaufen, das heißt, es unterscheidet nicht zwischen dem, was möglich oder natürlich ist und dem, was nicht möglich oder natürlich ist. Dafür benötigen wir das zweite Prinzip.
Entropie und der zweite Hauptsatz
Der Schlüsselbegriff des zweiten Hauptsatzes ist die Entropie, ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit eines Systems. Je größer die Entropie, desto unorganisierter oder zerstreuter ist das System. Das zweite Gesetz besagt:
In einem geschlossenen oder isolierten System kann die Gesamtentropie nicht abnehmen; Sie kann nur konstant bleiben (bei reversiblen Prozessen) oder zunehmen (bei realen und irreversiblen Prozessen).
Damit Wärme von einem kalten zu einem heißen Körper fließen kann (d. h. entgegen dem Wärmegradienten), ist daher externe Arbeit erforderlich. Dies erklärt beispielsweise die Funktionsweise von Kühlschränken und Klimaanlagen, die Energie benötigen, um die Wärme dazu zu zwingen, sich „entgegen“ ihrer natürlichen Richtung zu bewegen.
Bei spontanen Prozessen – wie etwa der Vermischung von Gasen, der Abkühlung eines heißen Gegenstands oder der Auflösung einer Substanz – nimmt die Entropie des Systems und seiner Umgebung zu. Wenn Sie jedoch die Entropie eines Teils des Systems verringern möchten, müssen Sie sie an anderer Stelle noch weiter erhöhen, sodass die Gesamtentropie weiter zunimmt.
Systeme im Gleichgewicht
Der zweite Hauptsatz gilt in erster Linie für Systeme, die sich in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts befinden oder sich in einem solchen Zustand befinden. In diesen Fällen kann die Entwicklung des Systems anhand von Entropieänderungen vorhergesagt werden. Wenn ein Prozess eine Erhöhung der Gesamtentropie verursacht, ist dies thermodynamisch zulässig. Andernfalls ist der Vorgang nicht möglich.
Darüber hinaus ist eine geringere Entropieproduktion in einem Prozess oft mit einer höheren Energieeffizienz verbunden. Dies ist insbesondere in der chemischen Verfahrenstechnik, der Energiewirtschaft und anderen Technologiebereichen von Bedeutung.
Beispiele für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik
Der zweite Hauptsatz manifestiert sich in vielen alltäglichen und natürlichen Phänomenen. Einige klare Beispiele für den zweiten Hauptsatz sind:
1. Ein komprimiertes Gas, das sich ausdehnt
Wenn ein Ventil geöffnet wird, das einen Behälter mit Druckgas mit einer Zone mit niedrigerem Druck verbindet, dehnt sich das Gas spontan aus und erhöht seine Entropie. Der umgekehrte Vorgang (das Gas verdichtet sich wieder spontan) erfolgt nicht ohne externe Arbeit.
2. Wärme fließt immer von heiß nach kalt
Wenn ein heißer Gegenstand mit einem kälteren Gegenstand in Kontakt gebracht wird, fließt die Wärme vom heißeren zum kälteren, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Das Gegenteil wurde ohne Energiezufuhr noch nie beobachtet.
3. Eine Tasse Kaffee, die kalt wird
Wenn Sie eine heiße Tasse Kaffee auf einem Tisch stehen lassen, wird die Wärme an die umgebende Luft abgegeben. Die Tasse kühlt ab und die Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Der umgekehrte Vorgang – das Erhitzen des Kaffees selbst – ist ohne Eingriff nicht möglich.
4. Wie ein Kühlschrank funktioniert
Der Kühlschrank entzieht seinem Inneren Wärme (kälter) und gibt sie nach außen ab (wärmer). Um diesen „Rückfluss“ zu erreichen, wird elektrische Energie benötigt, die den Kompressor speist. Damit ist das zweite Gesetz erfüllt: Ordnung wird auf Kosten zunehmender Unordnung in der Umwelt durchgesetzt.
5. Die Mischung von Flüssigkeiten oder Gasen
Wenn sich zwei zunächst getrennte Flüssigkeiten oder Gase vermischen, geschieht dies spontan, bis eine gleichmäßige Verteilung erreicht ist. Die Entropie nimmt zu, da der Endzustand ungeordneter ist als der Anfangszustand. Von selbst werden sie sich nicht trennen.
6. Die Verbrennung eines Brennstoffes
Wenn wir Benzin verbrennen, wird Energie in Form von Wärme und freigesetzten Gasen freigesetzt. Obwohl ein Teil dieser Energie in Arbeit umgewandelt werden kann (z. B. durch Bewegen eines Autos), kommt es immer zu Wärmeverlusten. Die Effizienz wird durch das zweite Gesetz begrenzt.