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  #1  
Alt 22.10.18, 20:59
name name ist offline
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Beiträge: 5
Standard Entropie - eine einfache physikalische Erklärung

Ich möchte eine Erklärungsmöglichkeit für die Entropie vorstellen und würde mich freuen, wenn ihr Argumente dafür und dagegen nennt.


Oft wird die Entropie mit Unordnung gleichgesetzt. Manche behaupten, die Entropie hätte etwas mit Zeit zu tun. Andere fassen die Entropie als reine Rechengröße auf. Doch die thermodynamische Entropie hat eine ganz bestimmte physikalische Bedeutung. Die Entropie ist eng mit der Wärme verknüpft. Als Einstieg seien ein paar Aussagen zu Entropie und Wärme genannt:

In Materie ist Entropie gespeichert. Je höher die Temperatur des Stoffes, desto größer ist die Menge an gespeicherter Entropie.

In Materie ist ebenfalls Wärme gespeichert. Je höher die Temperatur, desto größer ist die Menge an gespeicherter Wärme.

Mit Energie kann man Wärme erschaffen, z.B. durch Reibung oder einen elektrischen Widerstand. Wird so Wärme erschaffen, wird immer auch Entropie miterschaffen.

Wärme kann von einem Gegenstand in den anderen fließen, vorausgesetzt der andere Gegenstand ist kälter. Wärme fließt nur von warm nach kalt. Wenn Wärme fließt, fließt immer auch Entropie mit. Entropie fließt auch nur von warm nach kalt.

Fließt Wärme von einem Gegenstand in den anderen, so bleibt die Wärme insgesamt konstant. Die Entropie vermehrt sich jedoch beim Fließen. Insgesamt gibt es nach dem Fließen mehr Entropie als vorher.

Wärme hat als Einheit Energie.

Entropie hat als Einheit Energie pro absoluter Temperatur.

Wärme kann man mit Hilfe einer Wärmekraftmaschine zur Gewinnung von mechanischer Energie einsetzen. Voraussetzung dafür ist, dass es eine Wärmequelle mit hoher Temperatur und eine Wärmesenke mit niedrigerer Temperatur gibt. Es kann immer nur ein Teil der Wärme zu mechanischer Energie gewandelt werden. Der andere Teil muss immer als Abwärme an die Wärmesenke abgegeben werden. Aus einer Wärmekraftmaschine kommt immer weniger Wärme raus, als reingeht.

Entropie kann hingegen nie rückgängig gemacht werden oder vernichtet werden. Die Entropie bleibt konstant oder nimmt zu.

Durchläuft Wärme eine Wärmekraftmaschine, so durchläuft gleichzeitig immer auch Entropie die Wärmekraftmaschine. Hätte die Wärmekraftmaschine den größt möglichen, idealen Wirkungsgrad, so würde genau so viel Entropie herauskommen wie reingeht. Ist der Wirkungsgrad schlechter, was in der Realität immer der Fall ist, so kommt mehr Entropie raus, als reingeht.

Soweit die Aussagen.

Nun kann man sich die Frage stellen, wie genau Entropie in Materie gespeichert ist. Dazu betrachten wir zunächst, wie Wärme in Materie gespeichert ist. Wir nehmen einen Feststoffklotz, der keine Phasenumwandlungen oder Ähnliches haben soll. Dieser Klotz hat z.B. Umgebungstemperatur. Wieviel Wärme ist nun in dem Klotz gespeichert? Um das herauszufinden, müssen wir den Klotz auf 0 K abkühlen und dabei messen, wieviel Wärme rausfließt. Ganz ähnlich geht man vor, um die gespeicherte Entropiemenge zu bestimmen. Man muss nur jede kleine herausgeflossene Wärmemenge durch die absolute Temperatur, die der Klotz gerade hat, teilen und diese aufsummieren. Das ist dann die im Klotz gespeicherte Entropie. Wir können also annehmen, dass in dem Klotz viele kleine Entropiemengen vorliegen, wobei jede kleine Entropie Menge eine andere Temperatur hat. Die Temperaturen der kleinen Entropiemengen geht von 0 K bist zur Temperatur des Klotzes.

An dieser Stelle wird es auch Zeit, den genauen Zusammenhang zwischen Entropie und Wärme zu erklären. Die Wärme ist die Energie der Entropie. Jede Entropiemenge hat eine Temperatur. Die Entropie mal ihre absolute Temperatur ergibt ihre Energie, also ihre Wärme.

Die Wärme ist also nur eine Energiegröße und die Entropie ist die eigentliche Wärme. Wir wollen aber weiterhin die Wärme Wärme nennen und die Entropie Entropie, um keine Verwirrung zu stiften. Auch macht es in viele Fällen mehr Sinn, die Entropie nach ihrer Energie zu bemessen und nicht nach der Entropiemenge. Jedoch wollen wir im Hinterkopf behalten, dass die Entropie die eigentliche Wärme ist. Das ist die physikalische Bedeutung der Entropie.

So kann man sich auch ganz einfach Wärmekraftmaschinen erklären. Wärmekraftmaschinen nehmen Entropie, entziehen ihr Energie, indem sie ihre Temperatur herabsetzen und geben sie wider ab. Da es in der Realität immer Reibung und (ungewollte) Wärmeflüsse gibt, wird immer auch etwas Entropie erschaffen und es kommt mehr Entropie raus als reinkommt.

Umgekehrt nehmen Wärmepumpen Entropie und geben ihr eine höhere Temperatur. Da die Entropie so energiereicher wird, muss der Wärmepumpe Energie zugeführt werden.

Man kann noch sagen, dass Materie nur Entropie aufnimmt, wenn die Entropie eine höhere Temperatur als die Materie hat. Daher fließt Wärme auch nur von warm nach kalt.

Es stellt sich noch die Frage, wie die Entropievermehrung bei der Wärmeleitung funktioniert. Das Grundprinzip hierfür ist folgendes. Offensichtlich hat ein Stoff für jede Temperatur jeweils eine bestimmte Entropiekapazität. Das heißt, in einem Stoff gibt es für jede Temperatur jeweils eine bestimmte Anzahl an Entropieplätzen. Nun ist die Regel, dass die Entropieplätze von unten an kontinuierlich aufgefüllt sein müssen. Der letzte besetzte Entropieplatz hat die höchste Temperatur. Diese Temperatur entspricht der Temperatur des Stoffs. Wird jetzt etwas Entropie mit höherer Temperatur als der Stoff aufgenommen, gibt es eine Lücke zwischen den Entropieplätzen. Daher wird die aufgenommene Entropie recht bald den freien Entropieplatz mit der niedrigsten Temperatur einnehmen. Die Entropie verliert an Temperatur und wird somit energieärmer. Mit der so frei werdenden Energie wird neue Entropie erschaffen. Dies scheint der fundamentale Vorgang für die Entropievermehrung in Materie zu sein.

Bei der Wärmeleitung nimmt nun ein Stückchen Materie von dem angrenzenden etwas wärmeren Materiestückchen Entropie auf und gibt an das angrenzende etwas kältere Materiestückchen Entropie ab. Die abgegebene Entropie hat eine etwas niedrigere Temperatur als die aufgenommene. Somit muss die Temperatur der aufgenommenen Entropie herabgesetzt werden. Dadurch wird Energie frei und es wird neue Entropie erschaffen. Es wird mehr Entropie abgegeben als aufgenommen. So kann man sich die Entropievermehrung bei der Wärmeleitung vorstellen.


Eigentlich wäre der Text hier zu Ende. Es drängt sich jedoch ein weiterer Gedanke auf. Die Wärmestrahlung besteht aus Teilchen. Und die Wärmestrahlung muss Entropie, die eigentliche Wärme, sein. Daher besteht Entropie aus Teilchen. Ein Entropieteilchen entspricht der kleinsten vorkommenden Entropiemenge.

Nun liegt nichts näher, als das Entropieteilchen dem Photon gleich zu setzten. Entropieteilchen und Photon sind beide die Teilchen der Wärmestrahlung, sie sind beide die eigentliche Wärme.

Da die Energie eines Entropieteilchens proportional zu seiner absoluten Temperatur ist und die Energie eines Photons proportional zu seiner Frequenz, müssen absolute Temperatur und Frequenz das selbe beschreiben. Es muss einen Umrechnungsfaktor zwischen absoluter Temperatur und Frequenz geben.

Wie groß mag der Umrechnungsfaktor wohl sein? Vermutlich liegt er irgendwo im Bereich der Wien-Konstante. Der Umrechnungsfaktor wäre also 5,9*10^10 Hz/K ±50%. Nun stellt sich die Frage, wie es dann sein kann, dass thermische Strahler Entropieteilchen mit höherer Temperatur als die Strahlertemperatur aussenden können. Denn die Entropieteilchen im Strahlermaterial haben maximal die Strahlertemperatur. Die Antwort ist, dass es sich bei den Entropieteilchen mit größeren Temperaturen als die Strahlertemperatur um neu erschaffene Entropie handelt.

Ein Strahler sendet an die Umgebung Entropie auf Temperaturen zwischen der Strahlertemperatur und der Umgebungstemperatur aus. Dieses Aussenden geschieht in der äußersten Schicht des Strahlermaterials. Diese Schicht bekommt von weiter innen liegendem Material Entropie zugesandt, die annähernd die Strahlertemperatur hat. Von vielen Entropieteilchen muss also die Temperatur deutlich herabgesetzt werden. Mit der dadurch freiwerdenden Energie werden neue Entropieteilchen erschaffen, die Temperaturen oberhalb der Strahlertemperatur haben. Diese Entropieteilchen werden an die Umgebung ausgesandt.

Nun kann man sich viele Dinge, die mit Strahlung zu tun haben, erklären. Z.B. ist bekannt, dass gekühlte Solarzellen einen etwas größeren Wirkungsgrad als ungekühlte haben. Solarzellen nehmen Photonen mit hoher Frequenz, also Entropieteilchen mit hoher Temperatur, auf und entziehen ihnen Energie, indem sie ihre Temperaturen herabsetzen. Sie müssen die Entropie aber wieder an die Umgebung loswerden, doch die Umgebung nimmt sie nicht auf, wenn die Entropietemperatur kleiner als die Umgebungstemperatur ist. Daher kann die Temperatur der ankommenden Entropieteilchen in der Solarzelle nur bis minimal Umgebungstemperatur herabgesetzt werden. Wird die Solarzelle nun gekühlt, kann die Temperatur der Entropie bis auf die Kühltemperatur herabgesetzt werden, was bedeutet, dass auch mehr Energie frei werden kann. Also ist die gekühlte Solarzelle effizienter.
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  #2  
Alt 22.10.18, 21:13
Ich Ich ist offline
Moderator
 
Registriert seit: 18.12.2011
Beiträge: 1.581
Standard AW: Entropie - eine einfache physikalische Erklärung

S=k ln(Ω).

Du kommst fast 150 Jahre zu spät und liegst auch noch falsch. Wenn dich Physik interessiert, warum liest du dich nicht ein?
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