Es gibt jedoch Prozesse, die nicht gegen den Energieerhaltungssatz verstoßen würden, aber in der Natur nicht vorkommen. Wenn Sie beispielsweise einen 300 K warmen Ball in einen Topf mit 275 K kaltem Wasser legen, fließt Wärme zum Wasser, bis beide die gleiche Temperatur erreichen:
Aber es hat noch nie einen Fall gegeben, in dem Wärme von kälter zu wärmer fließt, was zu einer Vergrößerung des Temperaturunterschieds führen würde.
Eine warme Kugel bei 300 K wird nicht auf 400 K erhitzt, aber Wasser muss auf 175 abkühlen:
Als weiteres Beispiel betrachten wir eine Teigkugel, die auf ein Brett fällt:
Beim Aufprall erwärmt sich die Kugel (von 293 K auf 298 K).
Aber es kam nie vor, dass die Teigkugel beim Abkühlen plötzlich hochsprang:
Das widerspräche aber nicht dem ersten Gesetz, denn es besagt nur, dass die Energiesumme immer gleich sein muss, und das wäre auch so Prozess.
Um die Richtung bestimmen zu können, in der der Prozess abläuft, ist eine Gleichung erforderlich, die sich nur auf den Anfangszustand des Systems und die darauf ausgeübten Einschränkungen bezieht.
Isolierte Systeme streben immer nach Gleichgewicht. Die treibende Kraft muss eine Größe sein. Im Jahr 1850 nannte Clausius es Entropie. Der erste Hauptsatz beschreibt die Energiefunktion U und der zweite Hauptsatz beschreibt die Entropiefunktion. Wie die innere Energie U ist auch der zweite Hauptsatz eine Zustandsfunktion.
Die Gesamtentropie in einem isolierten System kann niemals abnehmen, d. h. sie kann nur zunehmen oder gleich bleiben. Das System kann sich nicht mehr ändern, wenn die Entropie ihren Maximalwert erreicht, ist das System dann im Gleichgewicht.
In einem geschlossenen System, das sich im Gleichgewicht befindet, gilt die Regel:
Eine solche Reaktion muss; mit vollständiger Reversibilität.
Vollständige Reversibilität bedeutet, dass die Reaktion unendlich langsam ablaufen muss, damit Temperatur und Druck überall gleich sind. Beispielsweise drehen sich Gasmoleküle in einem expandierenden Gas umeinander und erzeugen Turbulenzen, so dass es unmöglich ist, den Prozess genau umzukehren. Wenn man hingegen unendlich langsam expandiert, es keine Turbulenzen usw.
gibt, dann ist eine Umkehr eher möglich.
Daran kann man erkennen, dass; Eine reversible Reaktion stellt einen Idealfall dar, der manchmal fast erreicht wird, in der Realität jedoch nie vollständig erreicht werden kann.
Die Reversibilität wird jedoch theoretisch diskutiert. Man sagt, dass in einem geschlossenen System, in dem Temperatur und Druck gleich bleiben, ein spontaner reversibler Prozess die folgende Entropieänderung aufweist:
Bei der Temperatur T absorbiert das System eine Wärmemenge Qrev.(= Wärmemenge in einem reversiblen Prozess).
Daraus folgt, dass die Entropieänderung der Umgebung wie folgt definiert ist:
Alle Prozesse können in reversible und unterteilt werden irreversibel.
Irreversibel bedeutet, dass der genaue Ablauf des Prozesses nicht mehr exakt rückgängig gemacht werden kann. Während dieser Prozesse: Die Entropie nimmt immer zu, daher ist ihre Änderung wie folgt definiert:
In einem geschlossenen System muss die Summe der Entropie des Systems und seiner Umgebung kleiner als 0 sein:
Der zweite Hauptsatz beschreibt die Richtung der Energieumwandlung.
Betrachten wir beispielsweise einen dicht verschlossenen Behälter, der zwei Gase enthält, dann vermischen sich diese Gase im Laufe der Zeit gleichmäßig, d. h. sie nehmen einen Zustand größerer Unordnung und damit größerer Entropie an. Daher ist der Zustand größerer Entropie der wahrscheinlichere Zustand. Der zweite Hauptsatz besagt, dass Wärme nicht von einem Bereich niedrigerer Temperatur in einen Bereich höherer Temperatur übertragen werden kann, wenn keine Arbeit verrichtet wird.
Perpetuum mobile:
Der zweite Hauptsatz gilt immer noch für die Thermodynamik. Eine Maschine, die unter Verletzung des zweiten Hauptsatzes Arbeit verrichten würde, wird „Perpetuum mobile zweiter Art“ genannt. Dies wäre beispielsweise eine Wärmekraftmaschine, die einer kalten Umgebung Wärme entziehen kann, um in einer warmen Umgebung Arbeit zu verrichten.
Nach dem zweiten Hauptsatz ist dies unmöglich. Es kann keine Maschine geben, die beispielsweise die Wärmeressourcen der Ozeane in Arbeit umwandelt. Planck schlug vor, diese Tatsache „das Verbot von Perpetuum-Motion-Maschinen zweiter Art“ zu nennen.
Historische Zitate:
Der Wissenschaftler Sir Kelvin sagte:
„Es ist unmöglich, eine zyklische Maschine zu bauen, die keine andere Wirkung hat, als einem Behälter Wärme zu entziehen und die gleiche Arbeit zu leisten.“
R.J.E.
Clausius, 1854, Entropiezuwachssatz:
„In jedem natürlichen Prozess nimmt die Entropie zu.“”
Außerdem von ihm:
„Es ist unmöglich, eine zyklische Maschine zu bauen, die keinen anderen Effekt erzeugt als die Übertragung von Wärme von einem kälteren Körper auf einen wärmeren.“
und seine Zusammenfassung des 1.
und 2. Gesetzes:
„Die Energie des Universums ist konstant, die Entropie des Universums strebt immer nach einem Maximum, das 1. Gesetz ist das Gesetz der Energieerhaltung und daher das Gesetz von Symmetrie. Das 2. Gesetz ist nicht das Prinzip der Symmetrie und drückt das Prinzip aus, dass die Symmetrie des Universums bei seinen Veränderungen eine bestimmte Richtung erfordert.