Frage von lola253, 39

Hallo, kann mir jemand zu dem Physik Thema Entropie etwas erklären?

Hallo, ich muss bald einen Physik Vortrag über Entropie machen, da ich aber nicht wirklich ein Physik Ass bin und mir die Aufschriebe in unserem Buch und auch von Wikipedia etc nichts sagen bin ich gerade etwas verzweifelt. Kann mir bitte jemand erklären wo Entropie eine Rolle spielt und wo nicht bzw wieso oder wieso nicht? Würdet mir mega helfen... Danke im Vorraus

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 8

Aus dem Alltag kennen wir, dass Energie nach Menge beurteilt wird. Wir kaufen z.B. 1 kWh Strom oder 1 l Benzin.

Sobald man sich mit Energie näher beschäftigt, stellt man aber fest, dass nicht nur die Menge zählt, sondern dass Energie auch eine Qualität hat. Die Qualität misst sich im Prinzip daran, wie leicht bzw. vollständig eine vorhandene Energie in eine andere Energieform umgewandelt werden kann.

Wertvolle Energie heißt Exergie. Exergie kann belibeig in jede andere Energieform umgewandelt werden.
Energien mit 100% Exergieanteil sind grundsätzlich alle mechanischen Energien sowie elektrische Energie. Um die potentielle Energie eines Gegenstandes z.B. vollständig in kinetische Energie umzuwandeln, muss ich ihn einfach nur fallen lassen.
Wertlose Energie heißt Anergie. Mit Anergie kann man nichts anfangen, die lässt sich in keine andere Energieform mehr umwandel.
Energie mit 100% Anergieanteil ist Wärme bei Umgebungstemperatur. Um eine andere Energie aus Wärme gewinnen zu können, braucht man immer ein Temperaturgefälle. Die Umgebung ist aber schon das niedrigste Temperaturniveau, sodass mit der Wärmeenergie der Umwelt nichts mehr anzufangen ist.
Wärme oberhalb der Umgebungstemperatur ist eine Mischung aus Exergie und Anergie.

Die Entwertung von Energie nennt sich Dissipation. Exergie kann zu 100% dissipiert werden, Anergie kann nicht weiter dissipiert werden.

Nun braucht man ein Maß, um fetszustellen, wie weit eine vorhandene Energie denn schon entwertet wurde bzw. welcher Anteil der Energie aus Exergie besteht und noch weiter genutzt werden kann. Dieses Maß ist die Entropie S.

Es gilt nun folgendes:

Energie = Exergie + Anergie (Dies folgt aus dem Energieerhatlungssatz)

Der Anergieanteil Bq der Wärme lässt sich nun mit der Entropie S berechnen. Da es hier immer nur um Differenzen und nie um absolute Werte geht, muss das differentiell geschrieben werden:
dBq = Tu * dSq
Die Zunahme des Anergiegehalts entspricht der Änderung der Entropie multipliziert mit der Umgebungstemperatur.

Hat ein System den Zustand der maximalen Entropie erreicht, beinhaltet es ausschließlich Anergie.

Die Entropie spielt immer dann eine Rolle, wenn eine Energieumwandlung im Spiel ist, also praktisch bei allem im Universum oder im Leben.

Kommentar von Karl37 ,

Dein Beitrag ist sehr einsichtig und könnte im Unterricht verwendet werden. Allerdings hat Clausius bei der Formulierung des Begriff Entropie etwas anderes gemeint. Auch wenn man von Unordnung eines System spricht, wird der Begriff Entropie nur sehr ungenau beschrieben.

dS = dQrev / T hat R. Clausius formuliert.

Kommentar von Hamburger02 ,

Danke erstmal und du hast mit deiner Bemerkung recht.

Als hauptberuflicher Thermodynamiker, der sich seit Jahrzehnten mit der Entropie rumschlägt, behaupte ich, das Wesen der Entropie einigermaßen durchdrungen zu haben.

Tatsache ist jedenfalls, dass Entropie so ziemlich das abstrakteste und unverständlichste ist, was die Physik zu bieten hat, die Quantenmechanik mal ausgenommen.

Im Studium wird einem die Entropie meistens anhand geschlossener Systeme sowie der statistischen Herleitung durch Ludwig Boltzmann erstmals vorgestellt. In diesem Rahmen ist die Vorstellung von Unordnung auch noch plausibel.

Nun hat die Thermodynamik in den letzten 40 Jahren aber eine stürmische Entwicklung vollzogen. Ausgelöst wurde diese durch die Theorie Dissiaptiver Strukturen, die meines Wissens nach die erste und einzige thermodynamische Theorie ist, die mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Ich formuliere da gerne, dass die Theorie Dissipativer Strukturen die Physik des Lebendigen begründet.

Sobald wir geschlossene System verlassen und offene betrachten, insbesondere dann, wenn sich diese fernab des thermodynamischen Gleichgewichtes befinden, gilt das Boltzmannsche Gesetz der großen Zahl örtlich nicht mehr. An diesen Stellen wäre es sogar unsinnig, Entropie mit Unordnung zu umschreiben.

Habe lange überlegt, wie man "Neulingen" den begriff Entropie am einfachsten nahebringen könnte.

Dabei bin ich zum Ergebnis gekommen, dass die heute in der Thermodynamik allgemein gültige Umschreibung "Entropie ist ein Maß dafür, wie stark Energie entwertet wurde" am besten dafür geeignet ist. Außerdem kann man auf dieser Basis sehr gut mit Exergie und Anergie arbeiten, worunter sich die meisten wesentlich leichter etwas vorstellen können, als nur unter Entropie.
Dazu kommt natürlich auch, dass mein Thermodynamiklehrer derjenige war, der die Begriffe Exergie und Anergie in die Physik eingeführt hat und auch die Theorie Dissipativer Strukturen sehr intensiv mit diesen beiden Begriffen arbeitet.

Kommentar von lks72 ,

Ich will nicht schon wieder eine Grundsatzdiskussion lostreten, bin aber der Meinung, dass Exergie und Anergie in der Schule nichts zu suchen haben, da sie schlichtweg zu schwierig sind. Das liegt vor allem daran, dass man die in einem System enthaltende Exergie und Anergie nicht bilanzieren kann, ohne das System zu verlassen. Exergie und Anergie verhalten sich nicht wie anständige mengenartige Größen (so wie zum Beispiel die Entropie) und sind gerade deshalb abstrakter. Du schreibst oben "Wärme bei Umgebungstemperatur". Zunnächst einmal ist Wärme eine Prozessgröße und damit nicht in einem System enthalten, aber ich nehme natürlich an, dass du das richtige meinst. Wie auch immer, "Energie bei Umgebungstemperatur" ist Anergie? Das hängt davon ab, was außerhalb des Systems ist. Wenn dies auch Umgebungstemperatur ist, dann ja, wenn es sort kälter ist, dann nein. Exergie und Anergie sind keine greifbaren pysikalischen Größen, da sie in dem herkömmlichen Sinne nicht lokal bilanzierbar sind (das heißt nicht, dass sie außerhalb der Schulphysik nicht ihre Bedeutung hätten).

Mit der Entropie ist es hier einfacher. Ein Wärmereservoir der Temperatur T1 hat eine bestimmte Entropiemenge S (unabhängig von der Tempertur außerhalb des Systems). Ist es draußen nun kälter (T2) und fließt Entropie von innen nach draußen (Wir nehmen zur Vereinfachung einmal an, dass soviel Entropie enthalten ist, dass sich die Temperatur nicht groß ändert, dann fließt mit dem Entropiestrom dS auch ein Energiestrom dE = T * dS. Wenn man den Prozess nun durchführt, ohne Entropie zu produzieren (also ideal), dann ist die abzuzweigende Energie P = (T1-T2) * dS.

Kommentar von Hamburger02 ,

Das ist die technische Betrachtung der klassischen Thermodynamik.

Nun hat aber die Theorie Dissipativer Strukturen, die die nichtlineare Thermodynamik begründet hat, eine wissenschaftliche Revolution ausgelöst, wie es sie seit Newton nicht mehr gab. Sie hat seit etwa 2000 viele Wissenschaftsbereiche wie Biologie, Hirnforschung, Astrophysik, Medizin, Psychologie, Ökologie, Ökonomie, Sozialwissenschaften und einiges andere durchdrungen und in diesen Bereichen wurden dementsprechend auch die typisch thermodynamische Betrachtung in Systemen und Systemgrenzen übernommen.

In den erwähnten Fachbereichen kommt man im Studium inzwischen nicht mehr um offene Systeme sowie Exergie, Anergie und Entropie herum. Dieser neuen Entwicklung ist es geschuldet, Exergie und Anergie auch schon in der Oberstufe vorzustellen.

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 18

Das sind eigentlich zwei Fragen in einer:

  1. Was ist Entropie genau?
  2. Wo spielt Entropie eine wichtige Rolle?

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Die erste Frage kann man auf unterschiedlichen Levels beantworten.

Auf einem eher grundlegenden Level - das auch Stephen Hawkings Buch ›Eine kurze Geschichte der Zeit‹ weitgehend übernimmt - wird Entropie als Maß für die manifeste Unordnung¹) eines Systems bezeichnet.

Etwas genauer kann man Entropie als ein - logarithmisches - Maß für die Anzahl der Möglichkeiten verstehen, einen Zustand (im Sinne von Makrozustand, also der besagte Zustand im Großen und Ganzen betrachtet) zu realisieren, also gleichsam auch für die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes.

Wenn man eine große Zahl weißer und schwarzer oder sonstwie unterschiedlicher Steinchen hat, und sie in einer Ebene anordnen soll, so gibt es viel mehr Möglichkeiten, sie grob betrachtet gleichmäßig zu vermischen als sie klar voneinander zu trennen oder ein deutliches Muster daraus zu machen.

»Logarithmisch« bedeutet in diesem Zusammenhang, dass dann, wenn sich die Zahl der Möglichkeiten um einen bestimmten Faktor vergrößert, die Entropie um einen bestimmten Betrag größer wird. Entropie ist (bei großen Systemen, also solchen mit vielen Teilchen) somit additiv, denn die Anzahlen der Möglichkeiten multiplizieren sich. Fügt man beispielsweise zwei gleichartige Systeme zusammen, so quadriert sich die Anzahl der Möglichkeiten, die Entropie verdoppelt sich jedoch nur.

Es ist nun klar, wieso die Entropie eines Systems eigentlich nur immer größer werden kann: Dass in einem hinreichend großen, geschlossenen System durch eine zufällige Änderung ein Zustand eintritt, der um zahlreiche Zehnerpotenzen weniger Möglichkeiten hat und damit auch weniger wahrscheinlich ist, ist zwar nicht an sich unmöglich, aber so gut wie ausgeschlossen.

Ein geschlossenes System hat für gewöhnlich eine maximale Entropie. Ist diese erreicht, dann werden die zufälligen Bewegungen innerhalb des Systems nichts mehr ändern, es befindet sich im thermodynamischen Gleichgewicht und ist sozusagen thermodynamisch »tot«. Es tut sich nichts mehr von Bedeutung. Das gilt natürlich nur, solange es nicht durch äußere Einwirkungen gestört wird.

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Die zweite Frage wird gerade im oben erwähnten Buch von Hawking sehr gut und verständlich behandelt. Entropie ist in praxi allgegenwärtig, besonders etwa in der Chemie und natürlich in der Biologie. Sie sagt uns, welche chemischen Reaktionen unter welchen Bedingungen ablaufen können, welche Bedingungen für Lebewesen geeignet sind.

Damit in einem begrenzten System S etwas Strukturiertes entstehen und fortbestehen kann, muss es mit einem Reservoir R (einem größeren System) in Verbindung stehen, das die Entropie aus S aufnehmen, d.h. die Entropie von S auf einem niedrigen Level und somit S vom thermodynamischen Gleichgewicht fern halten kann. Dabei wird die Entropie von R zwar ungleich größer sein als die von S, aber ebenfalls fern vom Gleichgewicht. So muss R aber eine Energiequelle enthalten, die S mit derselben Energiemenge versorgt, die es auch an R abgibt. Man sagt, S befindet sich in einem Fließgleichgewicht. Es nimmt Energie niedriger Entropie auf und gibt dieselbe Energiemenge in Form von Energie mit hoher Entropie wieder ab, sodass es seine eigene Entropie auf einem niedrigen Level hält. 

Beispielsweise kann R das Weltall mit einem Stern wie der Sonne als heißem Fleck sein, und S die Erde. Es ist aber auch jedes Lebewesen selbst ein Fließgleichgewicht.

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¹) Diese Unordnung darf übrigens auf keinen Fall mit »Chaos« verwechselt werden. Unter einem (deterministischen) Chaos versteht man, dass auf lang Sicht die genaue Entwicklung eines Systems zu einem bestimmten zukünftigen Zeitpunkt nicht berechnet werden kann, obgleich es durch Naturgesetze kausal determiniert ist, weil kleine Abweichungen dazu führen können, dass die mittel- und langfristige Entwicklung eines Systems einen komplett anderen Weg nimmt. Einen anderen Weg innerhalb eines endlich ausgedehnten Attraktors (Beispiel Wetter: Es wird auf der Erde nicht irgendwo 700°C heiß oder –200°C kalt), aber eben einen anderen.

Antwort
von karajan9, 25

Hm... ich glaube es wäre ganz gut zu wissen, was dein Wissensstand ist und was dir noch so ungefähr fehlt. Entropie ist ein riiiesiges Thema, sodass es nicht ganz einfach ist, eine kompakte Antwort zu geben.

Ich hatte bei einer anderen Frage schon mal etwas zu Entropie geschrieben, vielleicht hilft dir das ja schon ein Stück weiter. Ansonsten wäre es wie gesagt gut zu wissen, was genau du brauchst :-)

https://www.gutefrage.net/frage/wovon-haengt-es-ab-ob-ein-vorgang-umkehrbar-ist-...

Antwort
von lks72, 19

Die Frage ist zu ungenau formuliert. Dir Entropie ist eine physikalische Größe zunächst einmal, also eine Erfindung des Menschen wie alle anderen physikalischen Größen auch. Durch folgende Sätze kannst du dir eine erste Vorstellung davon machen, was man mit der Größe messen kann
1. Ein Glas mit warmem Wasser hat mehr Entropie als ein Glas mit kaltem Wasser.
2. 100ml Wasser einer bestimmten Temperatur hat genau doppelt so viel Entropie wie 50ml Wasser derselben Temperatur
3. Entropie fließt von alleine von einem Körper hoher Temperatur zu einem niedriger Temperatur, nicht umgekehrt.
4. Reibe deine Hände, dann hast du Entropie erzeugt.
5. Entropie kann man erzeugen, aber nicht mehr vernichten.
6. Zu jedem Entropiestrom IS gehört ein Energiestrom P, die Kopplung ist die Temperatur T,. P = T • IS
7. Aus 6. Und 5. folgt , dass die mit erzeugter Entropie gekoppelte Energie für andere Zwecke nicht mehr nutzbar ist, manche sprechen dann von entwerterter Energie, obwohl der Grund die Entropieproduktion ist und nicht die Energie.

Antwort
von ThomasJNewton, 10

Das ist eigentlich nur eine Frage:
"kann mir jemand zu dem Physik Thema Entropie etwas erklären?"
und es gibt nur eine Antwort, "ja".
Es kann dir jemand was erklären.

Ich freue mich immer, helfen zu können.
Und freue mich auf den Stern.

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