Gummiband als Entropiefeder?
Was kann man physikalisch bei der Kontraktion und Dehnung eines Gummibandes beobachten. Kann man dieses Verhalten mit dem Komprimieren und Expandieren eines idealen Gases vergleichen?
5 Antworten
Fast alle Materialien dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. So auch Gase. Das ist das Normale.
Aber ein hängendes Gummiband, auf das die eigene Gewichtskraft wirkt, zieht sich bei Erwärmung zusammen und dehnt sich bei Abkühlung aus. Grund ist das Wechselspiel zwischen Entropie und Lageenergie in den Molekülketten. Käme es nur auf die Lageenergie an, wären die Molekülketten maximal in die Länge gezogen, damit das Gewicht (das Eigengewicht des Gummis) möglichst weit unten liegt.
Aber je größer die Temperatur ist, umso wichtiger wird der Entropieterm. Und die Entropie will eben, dass die Bindungen mit freier Drehbarkeit in den Ketten möglichst statistisch ausgerichtet sind.
Komprimieren und Dekomprimieren eines Gases ist Arbeit und führt zu einer Erwärmung, bzw. Abkühlung. Das passiert bei einem Gummiband eher nicht. (Energieverlust)
In beiden Fällen wird aber Energie gespeichert, die man für die Verrichtung von Arbeit, z.B. Antrieb, verwenden kann (Energiespeicher).
Beide Vorgänge folgen linearen, proportionalen Gesetzen und könnten unter theoretischen Annahmen (isotherme Komprimierung/Expansion) daher vergleichbar sein
Was kann man physikalisch bei der Kontraktion und Dehnung eines Gummibandes beobachten.
Man kann beobachten, dass die zur Dehnung erforderliche Arbeit größer ist als die abgegebene Arbeit beim Zusammenziehen. Dabei erwärmt sich das Gummiband etwas.
Bei einem idealen Gummiband wäre das Dehnen und Zusammenziehen reversibel. Es würden keine inneren Reibungsverluste entstehen, bei denen Wärme und damit auch Entropie erzeugt wird.
Kann man dieses Verhalten mit dem Komprimieren und Expandieren eines idealen Gases vergleichen?
Ja. In der Thermodynamik geht man von quasistatischen Zustandsänderungen aus. Die Vorgänge dauern (in der Theorie) unendlich lange, wodurch es im Gas keine Verwirbelungen gibt, damit keine innere Reibung und damit keine Wärme- und Entropieerzeugung. Nur dann wäre der Vorgang reversibel. Im realen Fall eines zeitlich endlichen Prozesses verhält sich das Gas wie das Gummiband. Es treten Verluste durch innere Reibung auf.
Ein Gummiband wird warm, wenn man es dehnt. Wenn man es gedehnt abkühlen lässt und dann entspannt, dann kühlt es sich unter Umgebungstemperatur ab.
Insofern ist das schon mit der Gas-Kompression und -Expansion vergleichbar.
Die eigentliche Frage ist, ob das jeder Experte weiß. Die Alltagserfahrung kann zwar jeder leicht machen, doch bin ich nicht sicher, ab man das im Studium lernt.
Es höngt ab, wie die Zustandsänderung des Gases erfolgen soll: Bei schnellen Vorgängen wie beispielsweise Schall ist das ein isentroper Prpzess, während man bei langsam verlaufenden Gesetzen eher isotherm ist.