Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eine der Säulen der Physik, da er erklärt, warum sich natürliche Prozesse in eine Richtung und nicht in die entgegengesetzte Richtung entwickeln. Von der Funktionsweise von Haushaltsgeräten bis hin zur Entwicklung von Sternen setzt dieses Gesetz der Energieumwandlung grundlegende Grenzen. Das zentrale Konzept ist die Entropie, eine Größe, die die Unordnung eines Systems misst und die in geschlossenen Systemen mit der Zeit tendenziell zunimmt.
In der Praxis bedeutet der zweite Hauptsatz, dass sich natürliche Prozesse zu Zuständen größerer Unordnung entwickeln und dass die zur Verfügung stehende nutzbare Energie zunehmend abnimmt.
Es gibt verschiedene Formulierungen dieses Gesetzes, etwa das Clausiussche Gesetz, das den spontanen Wärmefluss von einem kalten zu einem heißen Körper untersagt, oder das Kelvin-Planck-Gesetz, das besagt, dass nicht alle Wärme ohne Verlust in Arbeit umgewandelt werden kann. Beide betonen die Irreversibilität von Prozessen: So erwärmt sich beispielsweise eine kalte Tasse Kaffee nicht von selbst, und auch Wärme fließt nicht ohne äußeres Eingreifen vom Gefrierfach zum Herd.
Nachfolgend zeigen wir Ihnen 8 alltägliche Beispiele zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.
1. Der schmelzende Eiswürfel
Wenn wir einen Eiswürfel bei Zimmertemperatur auf einen Tisch legen, schmilzt er. Wärme fließt von der Umgebung (wärmer) zum Eis (kälter), bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist.
Dieser Prozess erhöht die Entropie des Systems: Das Eis geht von einem geordneten Zustand (fest) in einen ungeordneteren (flüssig) über. Flüssiges Wasser gefriert bei Raumtemperatur niemals spontan zu einem perfekt definierten Würfel, da dies eine Abnahme der Entropie bedeuten würde.
2. Wärmekraftmaschinen
Wärmekraftmaschinen, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren, wandeln thermische Energie in Arbeit um. Gemäß dem zweiten Hauptsatz kann keine Wärmekraftmaschine einen Wirkungsgrad von 100 % erreichen: Es geht immer etwas Wärme verloren, normalerweise in Form von Abwärme.
Beispielsweise wandelt ein Automotor die chemische Energie des Kraftstoffs in mechanische Arbeit um.
Ein großer Teil dieser Energie geht jedoch als Wärme im Auspuff, Kühler oder Motorblock selbst verloren. Dies ist unvermeidlich und wird durch das zweite Gesetz perfekt erklärt.
3. Kühlschränke und Klimaanlagen
Ein Kühlschrank transportiert Wärme von seinem Inneren (kälter) nach außen (wärmer), was auf den ersten Blick dem zweiten Hauptsatz zu widersprechen scheint. Dies geschieht jedoch nicht von selbst: Es bedarf Arbeit, also externer Energie (Strom), um einen Kompressor zu betreiben, der diesen Prozess ermöglicht.
Somit verstößt der Kühlschrank nicht gegen den zweiten Hauptsatz, da Energie verbraucht wird, um einen Prozess zu erzwingen, der auf natürliche Weise nicht stattfinden würde.
4. Gasdiffusion
Stellen Sie sich vor, eine Parfümflasche geht in einem Raum kaputt. Zunächst konzentrieren sich die Duftmoleküle an einer Stelle, verteilen sich dann aber schnell in der Umgebung.
Dieser Prozess ist spontan und erhöht die Entropie des Systems: Das Gas geht von einem geordneten Zustand (hohe Konzentration) in einen ungeordneteren Zustand (gleichmäßige Verteilung) über.
In Wirklichkeit kommt es nie dazu, dass sich das Parfüm in der zerbrochenen Flasche spontan wieder konzentriert, da dies eine Verringerung der Entropie bedeuten würde.
5. Entwicklung der Sterne
Sogar auf kosmischer Ebene gilt das zweite Gesetz. Sterne wie die Sonne geben aufgrund nuklearer Prozesse Wärmestrahlung ab. Mit der Zeit geht ihnen der Brennstoff aus, und am Ende ihrer Lebensdauer kollabieren sie und kühlen ab.
Dieser gesamte Prozess beinhaltet eine Tendenz zu einem ungeordneteren Zustand mit weniger verfügbarer Energie. Das Universum selbst bewegt sich während seiner Ausdehnung und Abkühlung in Richtung eines Zustands höherer Entropie, dem sogenannten „Wärmetod des Universums“.
6. Ein Ei kochen
Wenn wir ein Ei kochen, verändern die Proteine im Eiweiß und im Eigelb ihre Struktur und gerinnen. Dieser Prozess ist aus thermodynamischer Sicht irreversibel. Ein hartgekochtes Ei kann nicht spontan wieder in seinen rohen Zustand zurückversetzt werden.
Die Zunahme der Entropie hängt mit der Strukturveränderung der Moleküle zusammen, aus denen das Ei besteht.
7. Flüssigkeiten mischen
Wenn wir Milch in eine Tasse heißen Kaffee gießen, vermischen sich die beiden schnell. Dieser Prozess ist natürlich und spontan, da er mit einer Zunahme der Entropie einhergeht. Die endgültige Mischung weist eine größere Unordnung auf als die beiden getrennten Flüssigkeiten.
Die Trennung von Milch und Kaffee kann nicht spontan und ohne externe Arbeit rückgängig gemacht werden.
8. Batterien
Batterien enthalten gespeicherte chemische Energie. Bei der Nutzung wird diese Energie in Elektrizität und dann in Wärme oder Bewegung umgewandelt. Beim Entladen verliert das System (die Batterie) seine ursprüngliche Ordnung und seine Entropie nimmt zu.
Beim Wiederaufladen einer Batterie muss Arbeit aufgewendet werden, um das System chemisch „neu anzuordnen“, wodurch seine interne Entropie verringert wird. Dies geschieht jedoch auf Kosten einer Erhöhung der Entropie der Umgebung (da beim Wiederaufladen Wärme entsteht).