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Zweiter Hauptsatz und Entropie

Warum fließt Wärme von selbst vom heißen zum kalten Körper, obwohl die umgekehrte Richtung die Energieerhaltung ebenfalls erfüllen könnte? Untersuche die Entropiebilanz von System und Umgebung.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Finde heraus, was du schon kannst

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

Nur die Zahl in J/K eingeben.

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Lösungen mit Erklärungen
  1. 1 – ΔS = 300/300 = 1 J/K.
  2. 1 – ΔSgesamt = −600/600 + 600/300 = −1 + 2 = 1 J/K.
  3. 69,31 – ΔS = 100 · ln(600/300) ≈ 69,31 J/K. Für die Gesamtbilanz wäre auch die Umgebung zu betrachten.

Direkt mit der Erklärung beginnen →

Lernschritt 1

Energieerhaltung bestimmt noch keine Richtung

Der erste Hauptsatz bilanziert Energie. Er allein schließt nicht aus, dass ein kalter Körper Wärme abgibt und ein heißer dieselbe Energie aufnimmt. Der zweite Hauptsatz beschreibt zusätzlich, welche Richtung ein Vorgang ohne weitere Änderungen annehmen kann.

Wärme fließt von selbst vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau. Ein Kühlschrank kann Wärme in die Gegenrichtung transportieren, benötigt dafür aber Arbeit und verändert damit auch die Umgebung.

Die Entropie S ist eine Zustandsgröße mit der Einheit J·K−1. Sie hilft, diese Richtungsfrage quantitativ zu beantworten. Die verkürzte Gleichsetzung mit „Unordnung“ ist dafür oft zu ungenau.

Lernschritt 2

Entropieänderung berechnen

dS = δQrevT

Zur Berechnung einer Entropieänderung verwendet man eine reversible Vergleichsübertragung zwischen den Zuständen. Das Kürzel rev ist wichtig: Bei einem beliebigen irreversiblen Vorgang darf die tatsächlich übertragene Wärme nicht ohne Weiteres durch eine beliebige Temperatur geteilt werden.

Für ein ideales Wärmereservoir bei konstanter Temperatur ist die Änderung besonders einfach:

ΔSReservoir = Qzum ReservoirT

Aufgenommene Wärme zählt für dieses Reservoir positiv, abgegebene negativ. Temperaturen werden in Kelvin eingesetzt. Ein Reservoir ist ein idealisiertes großes Wärmebad mit praktisch unveränderter Temperatur.

Lernschritt 3

System und Umgebung zusammen betrachten

ΔSgesamt = ΔSSystem + ΔSUmgebung

Für ein isoliertes Gesamtsystem gilt ΔSgesamt ≥ 0. Ein einzelner Teil darf Entropie verlieren, solange die gesamte Bilanz passt. Beim Abkühlen verliert beispielsweise der heiße Körper Entropie, während die Umgebung Entropie aufnimmt.

Reversibel bedeutet idealisiert vollständig umkehrbar, ohne bleibende Änderungen irgendwo anders. Reibung und Wärmefluss bei endlicher Temperaturdifferenz sind Beispiele für irreversible Vorgänge.

Adiabatisch bedeutet nur, dass keine Wärme über die Systemgrenze fließt. Ein adiabatischer Vorgang muss nicht reversibel sein: Durch Reibung kann auch ohne Wärmezufuhr Entropie erzeugt werden.

Lernschritt 4

Die Entropie beider Reservoirs vergleichen

Eine Wärmemenge Q fließt direkt vom heißen zum kalten Reservoir. Das kalte Reservoir bleibt bei 300 K. Wähle die heiße Temperatur und die übertragene Wärme. Die Reservoirtemperaturen ändern sich im Modell nicht.

600 J von 600 K nach 300 K: ΔSheiß = −1 J/K, ΔSkalt = +2 J/K, ΔSgesamt = +1 J/K.
Heiß: 600 KKalt: 300 KQ = 600 JΔS heißΔS kaltΔS gesamt−20+2ΔS in J/K

Direkter Wärmeaustausch zwischen zwei Reservoiren · Entropieänderung in J·K⁻¹ · gleicher Maßstab für alle Balken

Die Pfeilrichtung ist fest: Wärme vom heißen zum kalten Reservoir. Das Modell bilanziert eine gewählte Übertragung, keine Wärmeleitungsrate. Der grüne Balken zeigt die insgesamt erzeugte Entropie.

Die Grafik lässt sich seitlich verschieben. So bleiben Achsen und Beschriftungen lesbar.

Unterrichtsimpuls mit Erklärung

Stelle Q = 600 J und Th = 600 K ein. Das heiße Reservoir verliert 1 J/K, das kalte gewinnt 2 J/K. Die Energiemenge ist auf beiden Seiten gleich; die Entropieänderungen sind wegen der verschiedenen Temperaturen unterschiedlich. Die Gesamtänderung beträgt +1 J/K.

Lernschritt 5

600 J vom heißen zum kalten Reservoir

Beispiel · Schritt für Schritt

Beide Entropieänderungen zusammenrechnen

600 J Wärme fließen direkt von einem Reservoir bei 600 K zu einem bei 300 K. Beide Temperaturen bleiben konstant.

Gesamtsystem = beide Reservoire · kein weiterer Energieaustausch

Rechenweg: Beide Entropieänderungen zusammenrechnen
Rechnung Erklärung zum Schritt
Qheiß = −600 J
Qkalt = +600 J
1Für jeden Teil das Vorzeichen festlegen

Die gleiche Energiemenge verlässt das heiße und erreicht das kalte Reservoir.

ΔSheiß = −600 J / 600 K
= −1 J/K
2Heißes Reservoir bilanzieren

Seine Entropie sinkt, weil es Wärme abgibt.

ΔSkalt = +600 J / 300 K
= +2 J/K
3Kaltes Reservoir bilanzieren

Dieselbe Energieübertragung bewirkt bei der kleineren Temperatur den größeren Entropiebetrag.

ΔSgesamt = −1 J/K + 2 J/K
= +1 J/K
4Addieren und beurteilen

Für das isolierte Gesamtsystem ist die Änderung positiv. Der Wärmefluss ist irreversibel.

Ergebnis: Die Energie bleibt erhalten, während die Gesamtentropie um 1 J/K steigt.
Warum läuft es nicht einfach rückwärts?

Für dieselben 600 J allein in Gegenrichtung ergäbe sich ΔSgesamt = +600/600 − 600/300 = −1 J/K. Das ist für das isolierte Gesamtsystem unmöglich. Ein Kühlschrank benötigt zusätzliche Arbeit; das warme Reservoir erhält dann mehr Wärme, als dem kalten entzogen wird. Erst die vollständige Bilanz beschreibt diesen anderen Vorgang.

Lernschritt 6

Wenn die Temperaturen sich tatsächlich ändern

Endliche Körper ändern beim Wärmeaustausch ihre Temperatur. Daher darfst du nicht die gesamte Wärme einfach durch die Anfangstemperatur teilen. Für einen Körper mit konstanter Wärmekapazität C ohne Phasenwechsel gilt zwischen zwei Gleichgewichtszuständen:

ΔS = C · ln(T₂/T₁)

Beispiel · Schritt für Schritt

Die Entropie eines erwärmten Körpers

Ein Körper mit C = 100 J/K wird von 300 K auf 330 K erwärmt.

Konstante Wärmekapazität · kein Phasenwechsel

Rechenweg: Die Entropie eines erwärmten Körpers
Rechnung Erklärung zum Schritt
T₂/T₁ = 330/300 = 1,1
1Temperaturverhältnis bilden

Beide Temperaturen stehen in Kelvin. Der Quotient ist dimensionslos.

ΔS = 100 J/K · ln(1,1)
2Passende Beziehung einsetzen

ln bezeichnet den natürlichen Logarithmus, nicht den Zehnerlogarithmus.

ΔS ≈ +9,53 J/K
3Vorzeichen prüfen

Die Erwärmung führt bei diesen Bedingungen zu einer positiven Entropieänderung.

Ergebnis: Die Entropie dieses Körpers steigt um etwa 9,53 J/K. Zur Gesamtbilanz fehlt noch die Wärmequelle.
Vertiefung: zwei endliche Körper gemeinsam bilanzieren

Beispiel · Schritt für Schritt

Temperaturausgleich zweier Körper

Zwei Körper mit jeweils C = 100 J/K haben anfangs 300 K und 400 K. Sie tauschen nur miteinander Wärme aus, ohne Arbeit oder Phasenwechsel.

Gesamtsystem isoliert · beide Wärmekapazitäten konstant

Rechenweg: Temperaturausgleich zweier Körper
Rechnung Erklärung zum Schritt
Tm = (300 K + 400 K)/2
= 350 K
1Endtemperatur bestimmen

Weil beide Körper dieselbe Wärmekapazität haben, liegt die Mischtemperatur genau in der Mitte.

ΔSkalt = 100 · ln(350/300) J/K
≈ +15,42 J/K
2Erwärmten Körper berechnen

Seine Entropie steigt.

ΔSheiß = 100 · ln(350/400) J/K
≈ −13,35 J/K
3Abgekühlten Körper berechnen

Seine Entropie sinkt. Das ist für einen Teil des Gesamtsystems erlaubt.

ΔSgesamt ≈ +2,06 J/K
4Ungerundete Werte addieren

Die Gesamtänderung ist positiv. Zwischenrechnungen erst am Ende runden.

Ergebnis: Beide Körper erreichen 350 K; ihre Gesamtentropie steigt um etwa 2,06 J/K.

Lernschritt 7

Was Entropie beschreibt – und was nicht

Mikroskopisch hängt Entropie damit zusammen, wie viele passende mikroskopische Zustände mit einem makroskopischen Zustand vereinbar sind. Für gleichwahrscheinliche Mikrozustände lautet die statistische Beziehung S = kB ln Ω. Das ist präziser als ein bloßer Vergleich mit einem unaufgeräumten Zimmer.

Entropie ist keine Energie und keine „verbrauchte Energie“. Energie bleibt erhalten; ihre Fähigkeit, unter bestimmten Umgebungsbedingungen in Arbeit umgewandelt zu werden, kann jedoch eingeschränkt werden.

Auch Lebewesen oder Kühlschränke widerlegen den zweiten Hauptsatz nicht. Sie sind keine isolierten Systeme und tauschen Energie sowie gegebenenfalls Materie mit ihrer Umgebung aus.

Lernschritt 8

Typische Fehler vermeiden

Entropie müsse in jedem einzelnen Körper steigen: Entscheidend ist die vollständige Bilanz.

Q/T ohne Bedingungen verwenden: Prüfe konstante Temperatur, Systemgrenze und reversible Vergleichsrechnung.

Adiabatisch mit isentrop gleichsetzen: Konstante Entropie folgt bei adiabatischen Vorgängen zusätzlich aus Reversibilität.

Celsius in Temperaturverhältnisse einsetzen: Verwende Kelvin.

Selbst ausprobieren

Üben & prüfen

Mit Tipps lernen oder ohne Hilfe testen – du entscheidest.

Wähle deine Stufe. Du löst jeweils sechs Aufgaben mit direkter Rückmeldung, Tipps und Rechenwegen.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

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Lösungen mit Erklärungen
  1. 5 – ΔS = 1500/300 = 5 J/K.
  2. 5 – ΔSgesamt = −3000/600 + 3000/300 = −5 + 10 = 5 J/K.
  3. 346,57 – ΔS = 500 · ln(600/300) ≈ 346,57 J/K. Für die Gesamtbilanz wäre auch die Umgebung zu betrachten.

Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.

Eigene Werte einsetzenMit dem Physikhelfer

Physikhelfer

Eigene Werte einsetzen

Berechne Entropieänderungen eines Reservoirs bei konstanter Temperatur oder eines Körpers mit konstanter Wärmekapazität. Negative Änderungen eines einzelnen Körpers sind möglich; für den zweiten Hauptsatz musst du System und Umgebung gemeinsam betrachten. Wähle deine gesuchte Größe und lass dir den Rechenweg Schritt für Schritt zeigen.

Passende Aufgabe öffnen →

Kostenlos und ohne Anmeldung. Ein Rücklink führt dich wieder zu dieser Erklärung.

Lieber auf Papier? 6 Aufgaben mit aufklappbaren Lösungen

Auf Papier üben

Erst vorhersagen oder selbst rechnen, dann die Lösung öffnen.

1 · Welche Einheit besitzt Entropie?

Lösung ansehen

Joule pro Kelvin, J·K⁻¹.

2 · Ein Reservoir bei 400 K nimmt 200 J auf. Wie ändert sich seine Entropie?

Lösung ansehen

Sie steigt um 0,50 J/K.

3 · Dasselbe Reservoir gibt 200 J ab. Wie groß ist ΔS?

Lösung ansehen

−0,50 J/K.

4 · Darf die Entropie eines einzelnen Körpers sinken?

Lösung ansehen

Ja. Die Gesamtbilanz einschließlich Umgebung muss berücksichtigt werden.

5 · Ist jeder adiabatische Vorgang isentrop?

Lösung ansehen

Nein. Bei irreversiblen adiabatischen Vorgängen kann Entropie erzeugt werden.

6 · Was gilt für ΔSgesamt bei einem reversiblen Vorgang im isolierten Gesamtsystem?

Lösung ansehen

ΔSgesamt = 0.

Fachlicher Abgleich der Grundgleichungen: OpenStax · University Physics.

Dein nächster Lernschritt

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