2nd Law: Entropy

00:01 Über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist schon oft gesprochen worden, also haben Sie sicher schon davon gehört.

00:07 Er besagt, dass die Entropie eines Systems stetig zunimmt.

00:11 Manchmal wird die Entropie auch als die Unordnung eines Systems bezeichnet.

00:16 Wir werden leider keine eindeutige, simple Definition für die Entropie haben.

00:20 Wenn ich Ihnen zum Beispiel ein System wie dieses hier vorstelle, haben wir vielleicht ein Teilchen und ein Teil Ihres Systems ist viel heißer als der Rest des Systems.

00:28 Wir wissen bereits, dass sich die Energie sozusagen selbstständig ausbreitet und dass das stärker erhitzte Teilchen somit mit den Teilchen in seiner Umgebung interagieren würde und somit die Energie auf die verschiedenen Teile des Systems übertragen würde.

00:38 Die Wärme würde sich durch das System ausbreiten, wie Sie hier im unteren Bild sehen können.

00:43 Dies würde als eine Art Veränderung und Zunahme der Entropie des Systems betrachtet werden, da die Wärme durch das System verteilt wird.

00:54 Wir würden das als eine eher ungeordnete Art und Weise betrachten, wie die Energie im Verhältnis zum ursprünglichen Zustand verteilt ist.

01:00 Wenn Sie sich nochmal den ursprünglichen Zustand oben ansehen, würden wir hier sagen, dass die Wärme an einem einzigen Ort gesammelt wird.

01:06 Dies entspricht einer sehr organisierten Art und Weise für das System, die gesamte Energie an einem Ort zu sammeln.

01:11 Das ist ein ganz besonderer Zustand des Systems.

01:14 Systeme wollen in der Regel allerdings nicht in dieser Art von Konfiguration bleiben.

01:17 Bei diesem speziellen Phänomen, das ich gerade beschrieben habe, wird die Wärme innerhalb des Systems verteilt.

01:24 Wir haben, wie bereits erwähnt, keinen einfachen Ausdruck für die Entropie.

01:29 Ich kann Ihnen deswegen nichts über die exakte Position oder den Ort der Teilchen sagen und Sie dann bitten, mir zu erklären, wie die Entropie praktisch gesehen genau funktioniert.

01:38 Stattdessen sollten Sie einige Eigenschaften der Entropie eines Systems kennen, die Art und Weise verstehen, wie sich die Entropie verändert und Sie sollten bestimmte Eigenschaften der Entropie beschreiben können.

01:48 Hiermit werden wir uns im Folgenden beschäftigen.

01:49 Eine Eigenschaft ist, dass die Entropie eine Zustandsvariable ist.

01:53 Das bedeutet Folgendes: Es ist nicht so, dass die einem System zugeführte Wärme von vorherigen Zuständen abhängt.

01:58 Der neue Zustand kann im Prinzip sofort gemessen werden, indem man sich das System selbst ansieht.

02:03 Wir wissen auch, dass die Entropie von Systemen bei Gasen und Flüssigkeiten größer sein wird als bei Feststoffen.

02:12 Die Entropie eines Gases ist ebenfalls größer als die einer Flüssigkeit.

02:16 Glücklicherweise ist das sehr leicht vorstellbar.

02:18 Wenn wir uns einen gasförmigen Zustand vorstellen, in dem alle Gasteilchen in der Luft herumschwirren, ist das viel ungeordneter und chaotischer.

02:25 Würden wir uns im Gegensatz dazu einen simplen Festkörper vorstellen, so sind die Teilchen im Vergleich zu den gasförmigen Teilchen viel weniger beweglich.

02:33 Ebenso gilt, dass die Entropie, im Gegensatz zu etwas wie der Temperatur, mit der Größe des Systems zunimmt.

02:40 Was will ich damit sagen? Angenommen, es existiert ein System mit einer gewissen Entropie und ich verdopple die Größe dieses Systems, sodass wir zwei Versionen desselben Systems haben: Die Entropie des neuen Gesamtsystems, das ich zuvor verdoppelt habe, wäre dann doppelt so groß wie die ursprüngliche Entropie.

02:57 Das hört sich fast zu einfach an. Man könnte sich fragen: "Welches System würde sich nicht an dieses Gesetz halten?” Auch hier würde die Temperatur nicht steigen.

03:03 Stellen Sie sich vor, Sie haben ein System, das auf zehn Grad eingestellt ist.

03:06 Sie verdoppeln die Größe des Systems, sodass Sie nun zwei Systeme mit jeweils zehn Grad haben.

03:10 Man würde nicht sagen, dass das ganze System jetzt zwanzig Grad hat, denn die Temperatur addiert sich nicht.

03:14 Die Temperatur ist eine einfache intrinsische Eigenschaft des Systems und nicht wie die Entropie eine extrinsische Eigenschaft.

03:21 Bei der Entropie gibt es also eine Variable, die mit zunehmender Größe des Systems steigt, quasi so wie Energie.

03:28 Wenn ich die Größe eines Systems verdopple, indem ich das System einfach verdopple, würde ich sagen, dass jetzt doppelt so viel Energie vorhanden ist. Die Entropie folgt demselben Gedanken.

03:37 Für verteilte Flüssigkeiten und Gase gilt außerdem die Regel, dass die Entropie für diese verteilten Flüssigkeiten und Gase größer als die Entropie für ein nicht so verteiltes System ist.

03:48 Sie sehen erneut, dass einige dieser Prinzipien dem logischen Menschenverstand folgen, wenn wir die Entropie als die Unordnung in einem System definieren.

03:58 Wenn wir für eine bestimmte Reaktion die Entropie der Produkte kennen und wenn wir wissen, wie hoch die Entropie der Edukte ist, bevor sie diese Produkte bilden, kann die Änderung der Entropie des Systems durch die Reaktion als Delta S bezeichnet werden. Sie entspricht einfach der Differenz.

04:13 Sie berechnet sich durch die Entropie der Produkte minus die Entropie der Edukte.

04:17 Wenn wir diese Reaktion umkehren und es andersherum betrachten würden, müssten wir aufgrund der Definition einfach ein Minuszeichen einfügen, weil wir Edukte und Produkte umkehren würden.

04:26 Wir würden also sagen, dass die Entropie der Umkehrreaktion beziehungsweise die Veränderung der Entropie des Systems für die umgekehrte Reaktion einfach der Änderung der Entropie für die normale Reaktion mit negativem Vorzeichen entspricht.

04:38 Schließlich gibt es noch den dritten Hauptsatz der Thermodynamik, der auch unter den Begriff der Entropie fällt, weil er beschreibt, wie wir den Nullpunkt der Entropie definieren.

04:47 Dieser dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass der absolute Nullpunkt der Temperatur, also -273,15 °C (0 K), nie erreicht werden kann.

04:59 Bei einem System mit einer Temperatur von null Kelvin, also dem absoluten Nullpunkt, müsste die Entropie null sein. Das bedeutet, dass keinerlei Teilchenbewegung stattfinden würde.

05:06 Da Unordnung in Systemen aber ein natürlicher Zustand ist, ist die absolute Ordnung nie zu erreichen.

05:10 In einem System mit 0 K würde allerdings absolute Ordnung herrschen müssen.