Entropie

Die Entropie ist die bilanzierfähige Primärgrösse der Thermodynamik. Entropie kann gespeichert, transportiert und produziert werden. Körper reagieren auf eine Entropiezufuhr mit einer Temperaturerhöhung (sensible Wärme), einer Volumenänderung oder einer Aggregatszustandsänderung (latente Wärme). Die Entropie wird in Joule pro Kelvin (J/K) gemessen. Als Formelzeichen verwenden wir ein S.

Entropie im Alltag

Die Entropie kann mit dem umgangssprachlichen Wort Wärme umschrieben werden

1. Führt man einem Körper Wärme (Entropie) zu, steigt die Temperatur
2. Das Fassungsvermögen für Wärme (Entropie) nimmt proportional mit der Menge eines Stoffes zu
3. Durch Reibung ensteht Wärme (Entropie)
4. Wärme (Entropie) kann durch einen Körper geleitet, zusammen mit einem Stoff transportiert und durch elektromagnetische Strahlung übertragen werden

Unglücklicherweise hat man Mitte des 19. Jahrhunderts Wärme als thermisch ausgetauschte Energie definiert. Diese heute noch gültige Definition trifft aber nur auf Punkt 1 in der oben aufgeführten Liste zur Umgangssprache zu.

zugeordnete Energie

Fliesst ein Entropiestrom über eine Systemoberfläche, ist er entsprechend der absoluten Temperatur dieser Oberfläche mit Energie beladen. Der zugeordnete Energiestrom ist gleich Entropiestromstärke mal Temperatur

[math]I_W = T I_S[/math]

Beispiel: Fliesst von einer Kochherplatte ein Energiestrom (Leistung) der Stärke 1000 W in die Pfanne hinein und weist die Grenzschicht zwischen Platte und Pfanne eine Temperatur von 127°C auf, hat der Entropiestrom eine Stärke von

[math]I_S = \frac {I_W}{T} = \frac {1000 W}{400 K}[/math] = 2.5 W/K

Fliesst der gleiche Energiestrom (1000 W) in das 57°C warme Wasser hinein, ist der Entropiestrom auf

[math]I_S = \frac {I_W}{T} = \frac {1000 W}{330 K}[/math] = 3.03 W/K

angewachsen. Die Wärmeleitung ist total irreversibel, d.h. bei der Wärmeleitung schwillt der Entropiestrom maximal an und der Energiestrom bleibt erhalten. Aufgrund dieses Phänomens bezeichnet man die von der Entropie transportierte Energie und nicht die Entropie selber als Wärme.

Prozessleistung

Ohne Entropie lässt sich die Wirkweise einer Wärmepumpe oder einer Wärmekraftmaschine nicht vertehen. Die Wärmepumpe fördert Entropie von einem kalten zu einem wärmeren Körper und bei der Wärmekraftmaschine fliesst die Entropie von einem heissen zu einem kalten Körper. Bei den Wärmepumpen muss man Energie in Form von Prozessleistung von aussen zuführen, bei der Wärmekraftmaschine wird eine Prozessleistung freigesetzt.

In einem thermischen Prozess verhält sich die Entropie wie die Masse des Wasser bei einem Pumpspeicherwerk. Die Temperatur entspricht dann dem Gravitationspotential. Demnach ist die in einer idealen Wärmekraftmaschine oder einer idealen Wärmepumpe umgesetzte Prozessleistung gleich

[math]P = \Delta T I_S[/math]

Beispiel: Eine ideale Wärmepumpe fördert Entropie von 7°C auf 47°C und gibt dabei eine Heizleistung (thermisch zugeordneter Energiestrom) von 2.2 kW ab. Wie viel Leistung nimmt die Wärmepumpe auf? In einem ersten Schritt berechnet man die Stärke des von der Pumpe geförderten Entropiestromes [math]I_S = \frac {3200 W}{320 K}[/math] = 10 W/K. Danach bestimmt man die Prozessleistung P = 40 K*10 W/K = 400 W.

Entropieproduktion

Setzt der Strom einer Primärgrösse eine momentane Prozessleistung frei, wird diese teilweise von einem oder mehreren Prozessen aufgenommen. Die Differenz zwischen freigesetzter und total aufgenommener Prozessleistung wird dissipiert. Die dissipierte Leistung dient der Entropieproduktion, wobei die Entropieproduktionsrate gleich der dissipierten Leistung dividiert durch die absolute Temperatur ist

[math]\Pi_S = \frac {P_{diss}}{T}[/math]

gespeicherte Entropie

Die gespeicherte Entropie macht sich mikroskopisch durch die Zahl der Zustände (Zustandssumme) bemerkbar, die makroskopisch unter keinen Umständen zu unterscheiden sind. So nimmt die Zahl der möglichen Anordnungen der Atome beim Schmelzen von Metall enorm zu (Schmelzwärme).