Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich mit den Gleichgewichtszuständen von Systemen und mit den Prozessen, die aus Zustandsänderungen zwischen Systemen resultieren. Der 2. Hauptsatz kann man als Erweiterung des 1. Hauptsatzes verstehen, so drückt der er die Energieerhaltung im einem abgeschlossenen System aus (es kann keine Energie aus dem Nichts erzeugt werden, der max. Wirkungsgrad einer Wärme-Kraft-Maschine kann max. 100% betragen). Der 1. Hauptsatz beschreibt aber kein Verhalten von thermodynamischen Systemen, er erklärt nicht, warum Prozesse in der Richtung ablaufen, wie sie ablaufen. So könnte man sich fragen: Warum fließt Wärme nicht vom kalten zum warmen System (dies würde dem 0. und 1. Hauptsatz nicht widersprechen).

Aus dem nullten Hauptsatz weiß man, dass sich die Temperatur zweier Körper im Gleichgewicht angleichen, aber nicht warum. Dabei fließt eine bestimmte Wärmemenge von einem zum andern Körper, das Gesamtsystem (beide Körper zusammen) verliert aber keine Energie (erster Hauptsatz). Dies führte zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, die Antwort auf die Frage, was die treibende Kraft für den Wärmeaustausch ist.

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

  • Es gibt keine Zustandsänderung, bei der die Wärmeübertragung von einem Körper mit niederer auf einen Körper höherer Temperatur erfolgt, ohne die Änderung einer anderen Energieform (Definition nach Clausius), d.h. Wärme kann nicht von selbst von einem Körper mit niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen.
  • Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung einer Last und Abkühlung eines Wärmereservoirs (Definition nach Planck)

Anwendung des 2. Hauptsatzes

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik findet breite Anwendungen, insbesondere auf die Umwandlung thermischer Energie in andere Energieformen (Wirkungsgrade von Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren, thermischen Kraftwerken), der 2. Hauptsatz besagt nichts anderes, als das es kein Perpetuum mobile zweiter Art gibt oder eine vollständige Umwandlung von Wärme in Arbeit nicht möglich ist.

Einführung einer neuen Zustandsgröße – die sog. Entropie S

Die bisherigen Zustandsgrößen, die Enthalpie H und die innere Energie U (die aus dem 1. Hauptsatz abgeleitet werden), sind nicht in der Lage, die Richtung einer Systemänderung vollständig zu beschreiben. Aus diesem Grund definiert de 2. Hauptsatz der Thermodynamik eine weitere Zustandsgröße, die sogenannte Entropie S. Erst mit Hilfe der Enthalpie H und der Entropie S können System und Systemänderungen vollständig beschrieben werden.


Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik – Testfragen/-aufgaben

1. Was besagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik?

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines isolierten Systems immer ansteigt oder konstant bleibt, jedoch niemals abnimmt. Dies impliziert, dass natürliche Prozesse irreversibel sind und in eine Richtung hin zur maximalen Entropie ablaufen.

2. Was bedeutet Entropie in diesem Zusammenhang?

Entropie ist ein Maß für die Unordnung oder den Zufall in einem System. Je höher die Entropie, desto größer ist die Unordnung in einem System und desto weniger Energie ist verfügbar, um Arbeit zu verrichten.

3. Was sind irreversible Prozesse in der Thermodynamik?

Irreversible Prozesse sind Prozesse, die in einer natürlichen Umgebung nicht in umgekehrter Richtung ablaufen können. Sobald sie stattgefunden haben, kann das System nicht wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren, ohne Energie von außerhalb des Systems zu verwenden.

4. Was unterscheidet den 2. Hauptsatz der Thermodynamik vom 1. Hauptsatz?

Der 1. und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik beschäftigen sich beide mit Energie, aber auf unterschiedliche Weise. Der 1. Hauptsatz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern nur umgewandelt oder übertragen wird. Der 2. Hauptsatz geht jedoch weiter und besagt, dass die Energieumwandlung in einer bestimmten Richtung stattfindet, nämlich von geordnet zu unordnet oder von nützlich zu weniger nützlich.

5. Was ist ein praktisches Beispiel für den 2. Hauptsatz der Thermodynamik?

Eine Tasse heißen Tees, das langsam abkühlt, ist ein praktisches Beispiel für den 2. Hauptsatz. Die Energie in Form von Wärme fließt von der Tasse (einem heißen Objekt) zur Umgebung (einem kühleren Objekt), was zu einer Zunahme der Entropie führt. Dies ist ein irreversibler Prozess.

6. Welche Rolle spielt der 2. Hauptsatz in Bezug auf Wärmeübertragungen?

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme spontan von einem wärmeren zu einem kälteren Körper und nicht umgekehrt fließt. Dieser Prozess führt ebenfalls zur Erhöhung der Entropie und ist irreversibel.

7. Was ist der Carnot-Prozess und wie ist er mit dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik verbunden?

Der Carnot-Prozess ist ein theoretischer Kreisprozess, der die maximale Effizienz zeigt, die eine Wärmekraftmaschine erreichen kann. Laut dem 2. Hauptsatz ist diese Effizienz jedoch nicht 100%, da nicht alle zugeführte Wärme in Arbeit umgewandelt werden kann. Ein Teil der Energie erhöht immer die Entropie.

8. Was sagt der 2. Hauptsatz über die Wärmepumpen aus?

Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass eine Wärmepumpe Energie in Form von Arbeit benötigt, um Wärme von einem kühleren auf einen wärmeren Bereich zu übertragen. Ohne Zufuhr von Energie würde der Prozess gegen den 2. Hauptsatz verstoßen und die Entropie abnehmen.

9. Gibt es Ausnahmen vom 2. Hauptsatz der Thermodynamik?

Es gibt keine bekannten Ausnahmen vom 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Er ist ein grundlegendes Prinzip, das alle bekannten physikalischen Phänomene bestimmt. Prozesse, die den 2. Hauptsatz scheinbar verletzen, werden durch eine Erhöhung der Entropie in einem anderen Teil des Systems ausgeglichen.

10. Was ist die thermodynamische Temperaturskala und wie hängt sie mit dem 2. Hauptsatz zusammen?

Die thermodynamische Temperaturskala ist eine absolute Temperaturskala, die auf dem 2. Hauptsatz basiert. Die Nullpunkt dieser Skala, der absolute Nullpunkt, repräsentiert einen theoretischen Zustand, bei dem die Teilchen keine kinetische Energie mehr haben und die Entropie minimal ist.