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Montag, 24.07.2017
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Wärmemaschine und Perpetuum mobile

Was Entropie und Energieentwertung miteinander zu tun haben

Es lassen sich noch weitere, grundsätzlich andere Prozesse finden, die eine Richtung der Zeit vorgeben. Meistens aber wird hierfür das Anwachsen der Entropie diskutiert, auch weil die Vorgänge, an denen sich dies zeigt, im Alltag allgegenwärtig sind.

Strömende Wärme


So wird das Anwachsen der Entropie beispielsweise deutlich, wenn man zwei Behälter mit Wasser unterschiedlicher Temperatur miteinander in Kontakt bringt. Dann fließt Wärme vom heißen zum kälteren Reservoir, und beide sind danach lauwarm. Niemals dagegen erwärmt sich dasjenige mit der höheren Temperatur auf Kosten des kälteren Reservoirs. Auch dabei wird also die Richtung des Zeitpfeils erkennbar.

Temperaturunterschiede im Ozean: Sie bleiben deshalb erhalten, weil Strömungen und Sonneneinstrahlung sie ständig erneuern.

Man könnte versucht sein, eine Maschine zu bauen, die die Weltmeere als nahezu unerschöpfliche Wärme- und damit Energiequelle nutzt. Dazu müsste ein Teil dieser thermischen Energie aus dem Wasser selbstständig in ein anderes Reservoir fließen. Das Problem dabei: Wenn das zweite Reservoir die gleiche Temperatur wie das Meer erreicht hat, bleibt die Maschine stehen. Ohne zusätzliche Energiezufuhr lässt sich das Wärmegefälle nicht aufrechterhalten und daher auch auf Dauer keine Energie gewinnen (Perpetuum mobile 2. Art). Allerdings nicht, weil dabei die Erhaltung der Energie verletzt würde, sondern weil die Entropie sinken würde.

Was Energie-"Verbrauch" mit Entropie zu tun hat


Obwohl wir in der Physik davon überzeugt sind, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann, spricht man im Alltag oft von Energieverbrauch. Damit ist aus physikalischer Sicht gemeint, dass sich zwar die Menge der Energie nicht ändert, aber ihre Nutzbarkeit. So wird Energie vom Elektrizitätswerk geliefert und von uns bezahlt und dann im Wasserkocher in die thermische Energie des Wassers umgewandelt.

Die Energie des erwärmten Wassers lässt sich aber praktisch kaum noch wieder in eine andere Form umwandeln. Diese Entwertung erscheint uns als Verbrauch, sie ist aber eine Erhöhung der Entropie. Auch mit solchen Diskrepanzen zwischen Alltags- und Fachverständnis hängt es zusammen, dass Physik als schwer verständlich und oft als unbeliebt gilt. Es ist die Aufgabe von Physiklehrkräften und Physikdidaktikerinnen und -didaktikern, dafür zu sorgen, dass sich hierbei kein Zeitpfeil hin zu einem schlechteren Verständnis einstellt.

Ein Vorschlag für den Physikunterricht ist, der Entropie einen ebenso großen Stellenwert einzuräumen wie der Energie. Dann könnte man eine Aufklärung über Energieverbrauch und Energieentwertung erreichen und damit auch zugleich die Frage nach der Richtung der Zeit beantworten.
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Roger Erb / Forschung Frankfurt
Stand: 14.07.2017
 
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