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2.1.6 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik und Entropie
2.1.6 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik und Entropie S
Wie oben bereits beschrieben, bestehen natürliche Prozesse aus reversiblen und irreversiblen Anteilen.
Um die Irreversibilität messen zu können, wurde die Zustandsgröße Entropie S eingeführt.
Ähnlich der potentiellen Energie, bei der beispielsweise das Potential einer Kugel auf einem Turm
bezogen auf den Erdboden, auf dem der Turm steht, berechnet wird, kann die Entropie nicht absolut
angegeben werden, sondern nur im Bezug auf einen frei wählbaren Ausgangszustand. Es kann also
lediglich etwas über die Entropieänderung Δ S ausgesagt werden. Diese kann nicht direkt gemessen
werden, sondern wird wie folgt errechnet (wobei S 1 bzw. S 2 die Entropie des Zustandes 1
bzw. 2, ΔQ die zu- oder abgeführte Wärme und T die absolute Temperatur in Kelvin ist): 37
Δ S = S 2
− S 1
= ΔQ mit der Einheit [S ] = 1
J T
K
Übersetzt bedeutet diese Formel, dass sich die Entropie eines Systems in Abhängigkeit seiner Temperatur
ändert, wenn Wärme zu- oder abgeführt wird. Je niedriger die Temperatur des Systems dabei
ist, desto mehr ändert sich die Entropie.
Mit der Entropie kann der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik wie folgt ausgedrückt werden:
„Natürliche Vorgänge innerhalb eines abgeschlossenen Systems sind stets mit einer Zunahme der
Entropie verbunden.“ 38 . Das heißt, innerhalb eines geschlossenen Systems gilt stets Δ S ≥ 0 .
Eine andere, einfachere Interpretation des Zweiten Hauptsatzes ist, dass der Wärmefluss zwischen
zwei Körpern nur in eine Richtung möglich ist, nämlich vom warmen zum kalten Körper. Damit
sind auch keine Wärmekraftmaschinen möglich, die auf einem umgekehrten Wärmefluss basieren
würden. 39
2.1.7 Kreisprozesse (Carnot-, Dampfkraft- und Gasturbinenprozess)
Die Umwandlung von Wärme in Arbeit erfolgt mittels sogenannter Kreisprozesse. Dabei durchläuft
ein Arbeitsmittel nacheinander verschiedene Zustände, um am Schluss wieder den Ausgangszustand
zu erreichen. Der Carnot-Prozess ist der Kreisprozess, der bei der Umwandlung von Wärmeenergie
in Arbeit den höchsten Wirkungsgrad erzielt. Er ist allerdings nur theoretisch möglich, dient aber als
Vergleich für alle anderen Kreisprozesse. Als Arbeitsmittel wird dabei ein ideales Gas genommen,
das sich in einem Zylinder mit Kolben befindet. Nacheinander erfährt es, bezogen auf die
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Abbildung 3, die folgenden Zustandsänderungen:
37 Lüders, 2009, S. 342ff
38 Strauß, 2009, S. 7
39 Nolting, 2009, S. 172f
40 Strauß, 2009, S. 67ff
41 Zahoransky, 2010, S. 125
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