Temperatur und Druckänderung bei Joule Expansion?

1 Mol eines idealen Gases befindet sich zunächst im Volumen V0 beim Druck pi und der Temperatur Ti , siehe Skizze (links). Nach dem Offnen des Ventils ströme das Gas von links in einen (zuvor evakuierten) Behälter gleichen Volumens V0 (Skizze rechts). Betrachten Sie die Joule-Expansion als rein gedankliches Konzept, wobei das System thermisch isoliert ist von der Umgebung und sich dessen Innere Energie nicht ändert: ∆U = 0

a) Welches sind die Temperatur Tf und der Druck pf , die sich nach dem Offnen des ¨ Ventils einstellen?

b) Gehe vn einer reversiblen isothermen Expansion aus und berechne die Entropie¨anderung ∆S.

(c) (1.) Wie kann man das Ergebnis aus (b) statistisch interpretieren?

(2.) Der Prozess ist (naturlich) nicht reversibel. Warum kann man trotzdem die ¨ Entropieänderung zwischen den Anfangs- und Endzuständen wie in (b) berechnen? (3.) Wie ändert sich bei diesem Prozess die Entropie des Universums?

Jensek81'scher Ansatz

a) pi VO = pf * V0

pi/Ti = Pf/ TV
Temperatur und Druck gleich wie VOrher

b) Delta S = n R ln (Vf / Vi) = nR ln (1) = 0

c) 1) Da Delta S = 0 -< keine Veränderung. Teilchen behalten ihre Anordnung bei.

2) Entropie Zustandsgröße nicht nur von Anfang und Ende abhängig

c) Entropie des Unviersum nimmt zu => Gesamtentropie nimmt nicht ab.

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Aufgabe zum Carnot-Zyklus?

Hallo, ich stehe vor folgender Aufgabe zum Carnot-Zyklus:

Für den Carnot-Zyklus werden folgende Größen definiert: Die Temperaturen des heißen und des kalten Wärmereservoirs (Th bzw. Tk), das Gasvolumen zu Beginn, Vi, und nach Abschluss des 1., 2. und 3. Schrittes, V´, V´´ bzw. V´´´, nach dem 4. Schritt ist wieder Vi erreicht. Im 1. Schritt wird eine isotherme Expansion des Gases bei Th vorgenommen und im 2. eine adiabatische, dabei wird Tk erreicht. Der 3. Schritt entspricht einer isothermen und der 4. Schritt einer adiabatischen Kompression, es wird wieder Th erreicht. Alle Schritte werden reversibel durchgeführt.

a) Berechne für das System (Gas) für jeden Schritt die Arbeit und die ausgetauschte Wärme.

b) Berechne für jeden Schritt auch dU und dS und zeige mathematisch, dass nach Abschluss eines Zyklus dU und dS jeweils gleich Null ist.

c) Zeige mathematisch, dass die Summe über w und q jeweils nicht gleich Null ist.

d) Berechne den Wirkungsgrad.

Zu a) stellt sich mir die Frage, ob ich angesichts der fehlenden Werte nur die Formeln jeweils herleiten soll, bei b) weiß ich gar nicht, wie ich die innere Energie U und die Entropie S berechnen soll; bei c) weiß ich ebenfalls nicht, wie ich w und q berechnen soll bzw was von mir verlangt wird und bei d) stören mich wieder die fehlenden Werte.

Kann mir hier vielleicht jemand einen Hinweis geben? Danke vielmals!

Arbeit, Rechnung, Temperatur, Gas, Wärme, Entropie, Formel, Thermodynamik, Enthalpie
Fragen zur TDS: Dissipative Strukturen, Entropiebegriff, Versagen der klassischen Physik?

Hallo! Ich habe heute eine anspruchsvolle Konversation über die Theorie Dissipativer Strukturen geführt, nach der in mir einige Fragen aufgekommen sind, die ich mir nicht so recht beantworten kann. Schon als ich den Begriff „Dissipative Struktur“ (im Sinne der Wikipedia-Definition) in den Raum warf wurde ich der Ahnungslosigkeit beschuldigt, mit der Aussage:

„Eine dissipative Struktur ist ein Vorgang, an dem Reibung-Statistische Mechanik auftritt. Etwa eine Akkretionsscheibe um ein schwarzes Loch wird durch dissipative Vorgänge beschrieben. Wärme ist ein Vielteilchen Vorgang und deshalb ist Statistische Mechanik nötig.“

Ich denke diese Aussage ist nicht korrekt, aber warum?

Die Diskussion setzte sich fort und wir kamen schließlich auf den Entropiebegriff zu sprechen, den mein Gegenüber als Maß der Unordnung verstand und mich dafür belächelte Entropie als Maß für D Dissipationsfähigkeit zu verstehen.

Worin liegt das Problem, Entropie als Maß für Unordnung zu definieren, wenn man sich fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht bewegt?

Schließlich kamen wir auch darauf zu sprechen, dass die klassische Physik Vorgänge außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichtes (insbesondere Leben) nicht erklären kann. Doch vielmehr wurde es zu einer Aussage, die ich getroffen, aber nicht belegen konnte. Der Standpunkt meines Gegenübers:

„Die Physikalischen Gesetze müssen auch fernab des Thermodynamischen Gleichgewichts gelten, sonst ist es keine Physik. Kannst du mir ein konkretes Beispiel für ein Versagen nennen?“

Und so meine Frage:

Wieso kann mit der klassischen Physik weder Selbstorganisation, Leben oder Bewusstsein erklärt werden? – Wieso versagt die klassische Physik fernab des thermodynamischen Gleichgewichts?

Zuletzt behauptete mein Gegenüber noch, dass die Fortschritte der Thermodynamik eben nicht durch die systemische Betrachtungsweise, sondern durch „genaue Analyse der Bewegung der Beteiligten Partikel-Statistische Mechanik (z.B Diffusionsgleichung)“ hervorgerufen wurden.

Ist das korrekt?

Ich würde mich über eure Antworten freuen, insbesondere über eine Antwort vom hamburger02, bei dem ich diese Theorie aufgeschnappt und verständlich aufbereitet bekommen habe.

Liebe Grüße Max

Gehirn, Wissenschaft, Entropie, Forschung, Physik, Thermodynamik, Wärmelehre
Warum ist die Erdatmosphäre nicht voller Wasserstoff?

Der Weltraum ist ja nicht wirklich "leer", kein vollständiges Vakuum, sondern enthält Wasserstoffgas bei sehr geringem Druck. Die Erdatmosphäre enthält schwerere Elemente (hauptsächlich Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf), die gravitativ an den Planeten gebunden sind.

Nun ist diese gravitative Bindung ja aber nicht "vollkommen". Die Teilchen befinden sich ständig in Bewegung, die Geschwindigkeiten sind statistisch und auch sonst verhalten sich Moleküle ja nicht wie "große Objekte", sondern können beispielsweise Potentialbarrieren auch durchaus mal "durchtunneln". Außerdem gibt es ja den Effekt der Diffusion (der ja auch ein statistischer Effekt ist), der mit der Entropie bzw. dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu tun hat, und beispielsweise auch bewirkt, dass Brom sich beispielsweise mit Stickstoff "vermischt", obwohl es im Grunde viel schwerer ist.

Es wird also immer mal wieder vorkommen, dass Gasmoleküle die Erde verlassen und in den Weltraum entweichen. Umgekehrt wird Wasserstoff aus der Umgebung auch gravitativ an die Erde gebunden werden. Solange es keinen "Nachschub" an diesen "schweren" Gasmolekülen gibt, würde ich erwarten, dass langsam alle (halbwegs) "flüchtigen" Verbindungen (insbesondere alle Gase) durch Wasserstoff "ersetzt" werden. Warum passiert das nicht? Oder passiert es tatsächlich, ist aber ein viel zu langsamer Vorgang? Wie viel Stickstoff, Sauerstoff, ... "verliert" die Erde etwa pro Jahrtausend und wie viel Wasserstoff "fängt sie ein"? Wird irgendwann kein Leben mehr möglich sein, weil zu viel Sauerstoff durch Wasserstoff ersetzt wurde? Oder wird die Atmosphäre irgendwann "explodieren" durch den Wasserstoff, der in sie eindringt?

Erde, Gas, Atmosphäre, Diffusion, Entropie, Luft, Physik, Wasserstoff

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