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Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme ohne Hilfe nur von einem warmen zu einem kalten System fließen kann, aber nie umgekehrt.
Erklärung nach Clausius
Die Erklärung nach Clausius ist wohl die Einfachste. Sie besagt, dass Wärme nur von einem warmen System zu einem kalten System fließen kann. Andersherum, von kalt zu warm, ist nur möglich, wenn Arbeit verrichtet wird.
Wärmekraftmaschine
Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die allein durch Temperaturdifferenzen Arbeit verrichtet.
Dabei fließt eine warme Substanz von einem warmen System zu einem kälteren System, so wie es Clausius auch beschrieben hat. Diese Substanz wird nun durch eine Maschine geleitet, die angetrieben wird.
Ein Beispiel ist eine Turbine. Heißer Wasserdampf kann durch eine Turbine geleitet werden. Diese fängt daraufhin an, sich zu drehen und erzeugt dadurch Strom.
Formulierung nach Kelvin-Planck
Ein anderer Physiker hat nun formuliert, dass eine Wärmekraftmaschine niemals einen Wirkungsgrad von 100 % besitzen kann. Das bedeutet, dass nicht jede reingesteckte Energie auch nutzbar gemacht werden kann. Es gibt also kein Perpetuum mobile!
Ein Perpetuum mobile ist eine Maschine, die dem Energieerhaltungssatz widerspricht. Eine solche Maschine kann ohne Energiezufuhr Arbeit verrichten und somit mehr Energie abgeben als sie aufnimmt.
Warum ist das so? Während jeden Prozesses entsteht Reibungsenergie. Das kann zwischen zwei Festkörpern sein, aber auch schon nur durch die Moleküle in der Luft.
Erklärung mit der Entropie
Die Entropie S gibt an, wie sich die Teilchen eines Stoffes bewegen.
Jeder Stoff und jedes System besitzt eine Entropie. Durch verschiedene Prozesse, also der Verrichtung von Arbeit, wird dessen Entropie verändert.
Diese Veränderung geht aber nur in eine Richtung: Die Entropie eines Stoffes kann immer nur gleich bleiben oder zunehmen. Die Entropie kann niemals abnehmen!
Zusammenfassung
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik lässt sich auf drei verschiedene Weisen definieren. Im Grunde genommen sagt aber jede das Gleiche aus.
Folgende Definitionen sind möglich:
Wärme kann auf natürliche Weise nur von einem System höherer Temperatur auf ein System niederer Temperatur übergehen.
Es gibt kein Perpetuum mobile.
Die Entropie eines Systems nimmt entweder zu oder bleibt gleich. Sie nimmt niemals ab.
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