Die be­son­de­ren Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie

Aus­gangs­fra­ge:

Warum sind die be­rech­ne­ten (idea­len) Wir­kungs­gra­de von Wär­me­kraft­ma­schi­nen grö­ßer als die rea­len Wir­kungs­gra­de?

Diese Frage kön­nen wir erst dann voll­stän­dig be­ant­wor­ten, wenn wir wei­te­re Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen­ge­lernt haben. Diese Ei­gen­schaf­ten dürft ihr im Fol­gen­den ent­de­cken.

Ge­stuf­te Hil­fen:

Die Auf­ga­ben 2, 3, 5, 7, 8 und 9 sind sehr an­spruchs­voll, daher er­hältst du für diese Auf­ga­ben ge­stuf­te Hil­fen. Da die Lö­sung von Auf­ga­be 1 für die wei­te­ren Auf­ga­ben sehr wich­tig ist, er­hältst du hier­für eben­falls ge­stuf­te Hil­fen.

Vor­ge­hen:

Die Auf­ga­ben bauen auf­ein­an­der auf. Daher müs­sen diese Auf­ga­ben in der vor­ge­ge­be­nen Rei­hen­fol­ge be­ar­bei­tet wer­den:

1. Ein­zel­ar­beit: Auf­ga­be 1
2. Ich-Du-Wir: Auf­ga­ben 2, Auf­ga­be 3
3. Ich-Du-Wir: Auf­ga­be 4, Auf­ga­be 5, Auf­ga­be 6
4. Ich-Du-Wir: Auf­ga­be 7, Auf­ga­be 8, Auf­ga­be 9, Auf­ga­be 10

Die Zeit­punk­te für die Wir-Pha­sen (Dis­kus­si­on im Ple­num) wer­den vom Leh­rer an­ge­kün­digt. Falls du eine Auf­ga­be ge­löst hast, und die Wir-Phase vom Leh­rer noch nicht an­ge­kün­digt wurde, wäre es hilf­reich, wenn du bei Be­darf deine Mit­schü­ler/-innen un­ter­stüt­zen könn­test.

Auf­ga­be 1: (Fach­kennt­nis­se: Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen)

Stel­le alle dir bis­her be­kann­ten Ei­gen­schaf­ten der phy­si­ka­li­schen Größe En­tro­pie schrift­lich zu­sam­men.

Auf­ga­be 2: (Fach­kennt­nis­se zur En­tro­pie und En­er­gie an­wen­den und er­wei­tern)

Er­läu­te­re, wes­halb bei den fol­gen­den Vor­gän­gen En­tro­pie neu er­zeugt wird.

Er­läu­te­re, von wel­chem En­er­gie­trä­ger die En­er­gie auf En­tro­pie um­ge­la­den wird.

1. Mit einem elek­tri­schen Was­ser­ko­cher wird Was­ser er­wärmt.
2. Ein Mo­tor­rad­fah­rer bremst, da­durch er­hit­zen sich die Brems­schei­ben.

Auf­ga­be 3: (Fach­kennt­nis­se zur En­tro­pie und En­er­gie an­wen­den und er­wei­tern)

Er­läu­te­re, wes­halb bei den fol­gen­den (sehr un­wahr­schein­li­chen) Vor­gän­gen En­tro­pie ver­nich­tet wird.

Er­läu­te­re, ob bei die­sen Vor­gän­gen der En­er­gie­er­hal­tungs­satz ver­letzt wird. Hast du ähn­li­che Vor­gän­ge schon ein­mal be­ob­ach­tet?

1. In einem Was­ser­ko­cher be­fin­den sich 1,5 Liter Was­ser. Der Ste­cker des Was­ser­ko­chers ist nicht mit der Steck­do­se, son­dern mit einem Elek­tro­mo­tor ver­bun­den. Der Was­ser­ko­cher und das darin be­find­li­che Was­ser haben zu­nächst Raum­tem­pe­ra­tur. Plötz­lich küh­len sich das Was­ser und der Was­ser­ko­cher ab und der Elek­tro­mo­tor be­ginnt sich zu dre­hen.
2. Ein Bobby-Car steht seit län­ge­rer Zeit auf einer waa­ge­rech­ten Flä­che im Wohn­zim­mer. Plötz­lich kühlt sich die nä­he­re Um­ge­bung des Bobby-Cars ab und die­ser setzt sich selbst­stän­dig in Be­we­gung.

Auf­ga­be 4: (Fach­kennt­nis­se: Er­hal­tungs­grö­ßen ken­nen)

Kreu­ze die rich­ti­gen Fel­der an.

	kann strö­men	ist er­zeug­bar	ist ver­nicht­bar
Geld
En­er­gie
elek­tri­sche La­dung
Im­puls
Masse
En­tro­pie

Auf­ga­be 5: (Skiz­zen an­fer­ti­gen, En­tro­pie­for­meln ken­nen, For­meln an­wen­den, Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen und er­wei­tern)

Im Win­ter hat der an­ge­nehm tem­pe­rier­te NwT-Raum eine Tem­pe­ra­tur von 21 °C. Drau­ßen hin­ge­gen ist es öfter recht fros­tig (-4 °C). Die­ser Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied be­wirkt einen En­er­gie­strom durch die Wand des NwT-Raums hin­aus ins Freie. Pro Qua­drat­me­ter flie­ßen hier­bei 25 W durch die Wand ins Freie. Wie wir wis­sen, ist die­ser En­er­gie­strom mit einem En­tro­pie­strom ver­bun­den.

1. Zeige mit­hil­fe einer Rech­nung, dass hier­bei En­tro­pie er­zeugt wird. Fer­ti­ge dazu auch eine ge­eig­ne­te Skiz­ze an.
2. Be­rech­ne die En­tro­pie­men­ge, die in­ner­halb einer Stun­de in einem Qua­drat­me­ter der Au­ßen­wand des NwT-Raums er­zeugt wird.
3. Der Phy­sik­saal ist bes­ser iso­liert als der NwT-Raum. Bei glei­chen Tem­pe­ra­tu­ren (In­nen­tem­pe­ra­tur: 21 °C, Au­ßen­tem­pe­ra­tur: -4 °C) flie­ßen pro Qua­drat­me­ter 5 W durch die Wand ins Freie.
   Be­rech­ne die En­tro­pie­men­ge, die in­ner­halb einer Stun­de in einem Qua­drat­me­ter der Au­ßen­wand des Phy­sik­saals er­zeugt wird.
4. Prüfe an­hand der Teil­auf­ga­ben a) und b) ob fol­gen­de Aus­sa­ge rich­tig sein kann: Umso mehr En­er­gie ver­geu­det wird, desto mehr En­tro­pie wird er­zeugt.

Auf­ga­be 6: (Fach­kennt­nis­se: Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen und an­wen­den)

Prüfe fol­gen­de Aus­sa­gen auf ihre Rich­tig­keit. Be­grün­de deine Mei­nung.

1. Eine Glüh­lam­pe er­zeugt En­tro­pie.
2. Eine Herd­plat­te er­zeugt En­tro­pie.
3. Wer­den zwei Hände an­ein­an­der ge­rie­ben, so wird En­tro­pie er­zeugt.
4. Ein Rad­fah­rer er­zeugt En­tro­pie.
5. Eine bren­nen­de Kerze er­zeugt En­tro­pie.
6. Ein Au­to­fah­rer er­zeugt En­tro­pie.
7. Beim Ra­sen­spren­gen wird En­tro­pie er­zeugt.
8. Hei­ßer Kaf­fee, der in einer Tasse auf den Tisch ge­stellt wird, er­zeugt En­tro­pie.
9. Füllt man war­mes Was­ser in eine Ba­de­wan­ne, dann wird En­tro­pie er­zeugt.
10. Ein Fluss er­zeugt En­tro­pie.
11. En­tro­pie kann ver­nich­tet wer­den.
12. Jeder Mensch er­zeugt stän­dig En­tro­pie.
13. Es gibt (idea­le) Vor­gän­ge, bei denen keine En­tro­pie er­zeugt wird.
14. Bei rea­len Vor­gän­gen wird immer En­tro­pie er­zeugt.
15. Es gibt einen Zu­sam­men­hang zwi­schen der Zeit und der En­tro­pie.

Auf­ga­be 7: (Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen und an­wen­den, De­fi­ni­ti­on des Wir­kungs­grads ken­nen und an­wen­den)

Be­grün­de, warum die be­rech­ne­ten (idea­len) Wir­kungs­gra­de von Wär­me­kraft­ma­schi­nen grö­ßer als die rea­len Wir­kungs­gra­de sind. Er­wei­te­re dazu zu­nächst die Skiz­ze einer idea­len Wär­me­kraft­ma­schi­ne (siehe unten) um ge­eig­ne­te Pfei­le und even­tu­ell um ein zu­sätz­li­ches Wär­me­re­ser­voir.

Auf­ga­be 8: (Fach­kennt­nis­se: Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen und an­wen­den)

Trage fol­gen­de Ge­rä­te und Wir­kungs­gra­de in die Ta­bel­le ein. Kreu­ze in der letz­ten Spal­te die­je­ni­gen Vor­gän­ge an, bei denen En­tro­pie er­zeugt wird.

Ge­rä­te: Schei­ben­brem­se, idea­ler Ge­ne­ra­tor, rea­ler Ge­ne­ra­tor, idea­ler Was­ser­ko­cher, rea­ler Was­ser­ko­cher, idea­ler Elek­tro­mo­tor, rea­ler Elek­tro­mo­tor, rea­ler Stir­ling­mo­tor, idea­ler Stir­ling­mo­tor, rea­les Ther­mo­ele­ment, idea­les Ther­mo­ele­ment.

Wir­kungs­gra­de: 65%, 72%, 99,5%, 99,5%, 100%, 100%, 100%

Vor­gang	Gerät	Wir­kungs­grad	En­tro­pie wird er­zeugt
En­er­gie wird voll­stän­dig von Im­puls auf La­dung um­ge­la­den
En­er­gie wird von Im­puls auf La­dung und En­tro­pie um­ge­la­den
En­er­gie wird voll­stän­dig von La­dung auf Im­puls um­ge­la­den
En­er­gie wird von La­dung auf Im­puls und En­tro­pie um­ge­la­den
En­er­gie wird voll­stän­dig von Im­puls auf En­tro­pie um­ge­la­den
En­er­gie wird voll­stän­dig von La­dung auf En­tro­pie um­ge­la­den		100%
En­er­gie wird voll­stän­dig von La­dung auf En­tro­pie um­ge­la­den		85%
En­er­gie wird teil­wei­se von En­tro­pie auf La­dung um­ge­la­den		72%
En­er­gie wird teil­wei­se von En­tro­pie auf La­dung um­ge­la­den		8%
En­er­gie wird teil­wei­se von En­tro­pie auf Im­puls um­ge­la­den			X
En­er­gie wird teil­wei­se von En­tro­pie auf Im­puls um­ge­la­den

Auf­ga­be 9: (Fach­kennt­nis­se: Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen und an­wen­den, For­mel für Wir­kungs­grad einer idea­len Wär­me­kraft­ma­schi­ne ken­nen und an­wen­den)

Er­läu­te­re fol­gen­de Aus­sa­gen:

1. Fließt En­er­gie zu­sam­men mit La­dung oder Im­puls, dann ist sie wert­vol­ler, als wenn sie zu­sam­men mit En­tro­pie fließt.
2. Fließt En­er­gie zu­sam­men mit En­tro­pie bei einer hohen Tem­pe­ra­tur, dann ist sie wert­vol­ler, als wenn sie zu­sam­men mit En­tro­pie bei einer klei­ne­ren Tem­pe­ra­tur fließt.
3. En­er­gie wird ent­wer­tet, wenn En­tro­pie er­zeugt wird.
4. Die En­tro­pie­er­zeu­gung ist ein Maß für die En­er­gie­ent­wer­tung.

Auf­ga­be 10: (Fach­kennt­nis­se: Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie ken­nen und an­wen­den)

Er­läu­te­re die um­gangs­sprach­li­che Re­de­wen­dung: Bei allen rea­len Vor­gän­gen geht En­er­gie ver­lo­ren.

 

Die be­son­de­ren Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie: Her­un­ter­la­den [doc] [122 KB]

Die be­son­de­ren Ei­gen­schaf­ten der En­tro­pie: Her­un­ter­la­den [pdf] [139 KB]