Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Entropiezunahme
Basiswissen
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt im Wesentlichen, dass man aus Wärmeenergie an sich - ohne dass es eine Temperaturdifferenz gibt - keine mechanische Arbeit gewinnen kann. Es gibt verschiedene Formulierungen des Satzes.
Wärmefließrichtung
Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen: diese häufig zu findende Formulierung trifft jedoch zum Beispiel nicht auf kleine Volumeneinheiten in einem Gas zu. Hier kann durch Zufallsprozesse durchaus Wärmenergie von einem kälteren Volumenbereich auf einen wärmeren Volumenbereich übergehen. Um diesen Fall auszuschließen, formulierte William Thomson das Prinzip folgendermaßen: "it is impossible by means of inanimate material agency to derive mechanical effect from any portion of matter by cooling it below the temperatur of the coldest of the surrounding objects."[1]
Kein Perpetuum Mobile
Wärme kann durch eine periodisch arbeitende Maschine nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden. Dies wäre eine Realisierung eines Perpetuum Mobile zweiter Art.
Maximaler Carnot
Der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses kann nicht übertroffen werden.
Irreversible Spontaneität
Alle spontan (in eine Richtung) ablaufenden Prozesse sind irreversibel.
Reibung als Einbahnstraße
Alle Prozesse, bei denen Reibung stattfindet, sind irreversibel.
Schwere Entmischung
Ausgleichs- und Mischungsvorgänge sind irreversibel (abgesehen von reversiblen Mischungen idealer Gase).
Entropie-Erhalt
In einem geschlossenen adiabaten System kann die Entropie nicht geringer werden.
Stabiles Maximum
Das Gleichgewicht isolierter thermodynamischer Systeme ist durch ein Maximalprinzip der Entropie ausgezeichnet.
Naturgesetz
Der zweite Hauptsatz ist kein Gesetz, das sich aus einer tieferliegenden Theorie ableiten lässt, sondern eine sogenannte Erfahrungs- oder Beobachtungstatsache: man beobachtet, dass es mit großer Zuverlässigkeit eingehalten wird, kann aber Abweichungen nicht ausschließen.[3] Dass dieses Gesetz nur durch die Erfahrung, aber nicht durch die Logik, bestätigt werden kann, ist typisch für ein Naturgesetz ↗
Fußnoten
- [1] Zitiert nach: Balfour Stewart and Peter Tait: The Unseen Universe. Or Physical Speculations on a Future State. Macmillan and Company. London. 1875. Seite 84.
- [2] Max Planck im Jahr 1908: "Während das Energieprinzip den Ablauf der natürlichen Vorgänge dadurch begschränkt, daß es niemals Schöfpung oder Vernichtung von Energie, sondern nur Umwandlugnen von Energie zuläßt, geht der zweite Hauptsatz in der Beschränkung noch weiter, indem er nicht alle Arten von Umwandlungen, sondern gewisse nur unter gewisen Bedingungen gestattet so läßt sich mechanische Arbeit ohne weiteres in Wärme verwandeln, zum Beispiel durch Reibung, aber nicht umgekehrt Wärme ohne weiteres in Arbeit. Wäre das nämlich mögich, so könnte man etwa die Wärme des Erdbodens, die uns ja unbeschränkt zur Verfügung steht, zum Antrieb eines Motors verwenden und hätte dabei den doppelten Vorteil, diesen Motor, da er den Erdboden abkühlt, zugleich als Kältmeaschine benutzen zu können. Aus der erfahrungsgemäßen Unmöglichkeit eines derartigen Motors, der auch als ein Perpetuum mobile zweiter Art bezeichnet wird, geht nun mit Notwendigkeit hervor, daß es Vorgänge in der Natur gibt, die auf keinerlei Weise vollständig rückgängig gemacht werden können. Denn ließe sich zum Beispiel ein Reibungsvorgang, durch welchen mechanische Arbeit in Wärme verwandelt worden ist, mit Hilfe irgendeines, wenn auch noch so komplizierten Apparats auf irgendeine Weise wirklich vollständig rückgängig machen, so wäre eben der betreffene Apparat nichts anderes als der vorhin geschilderte Motor: ein Perpetuum mobile zweiter Art. Dies erhellt unmittelbar, wenn man sich deutlich vorstellt, was der Apparat leisten würde Verwandlung von Wärme in Arbeit ohne jegliche anderweitig zurückbleibende Veränderung. Nennen wir einen solchen Vorgang, der sich auf keinerlei Weise vollständig rückgängig machen lässt, einen irreversiblen Prozeß, alle übrigen Vorgänge reversible Preozesse, so treffen wir gerade den Kernpunkt des zweiten Hauptsatzes der Wärmetheorie, wenn wir sagen, daß es in der Natur irreversible Prozesse gibt. Demnach haben die Veränderungen in der Natur eine einseitige Richtung mit jedem einzelnen irreversiblen Prozeß macht die Welt einen Schritt vorwärts, dessen Spuren unter keinen Umständen vollständig zu verwischen sind. Beispiel für irreversible Prozesse sind außer der Reibung die Wärmeleitung, die Diffusion, die Elektrizitätsleitung, die Emission von Licht- und Wärmestrahlung, der Atomzerfall radioaktiver Substanzen u. a. Beispiele reversibler Prozesse sind dagegen die Planetenbewegung, der freie Fall im luftleeren Raum, die ungedämpfte Pendelbeweung, die Fortpflanzung von Licht- und Schallwellen ohne Absorption und Beugung, die ungedämpften elektrischen Schwungen u. a." In: Die Einheit des physikalischen Weltbildes. Vortrag, gehalten am 9. Dezember 1908 in der naturwissenschaftlichen Fakultät des Studentenkorps an der Universität Leiden.
- [3] Dass der zweite Hauptsatz kein unabänderliches Gesetze sondern nur eine Tendenz wiedergibt betont Terrence W. Deacon: "The second law of thermodynamics is an astronomically likely tendency, but not an inviolate 'law'." In: Incomplete Nature. How Mind Emergend from Matter. W. W. Norton. New York. London. 2012.