Peter W. Atkins

Physikalische Chemie


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sich zieht. Deshalb nimmt die Anzahl der Mikrozustände W nur unwesentlich zu und die Entropie wächst kaum (Abb. 3.6). In einem System mit niedriger Temperatur sind dagegen nur wenige (bei T = 0 sogar lediglich ein einziges) Energieniveaus besetzt. Die relative Zunahme der Zahl von erreichbaren Niveaus und der möglichen Mikrozustände W bei Zufuhr der gleichen Wärmemenge wie oben fällt dann viel deutlicher aus. Aus diesem Grund nimmt die Entropie bei Erwärmung eines kalten Körpers stärker zu als bei Erwärmung eines warmen Körpers. Man kann also vermuten, dass die Entropieänderung umgekehrt proportional zu der Temperatur ist, bei der der Wärmeaustausch stattfindet, genau wie von Gl. (3.1) vorhergesagt.

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      3.1.3 Die Entropie als Zustandsfunktion

      ist. Das Symbol steht dabei für ein Integral entlang eines geschlossenen Weges. Unseren Beweis gliedern wir in drei Schritte. Wir zeigen, dass

      1 Gl. (3.5) für einen speziellen geschlossenen Weg (einen „Carnot‐Kreisprozess“ mit einem idealen Gas) zutrifft,

      2 dies unabhängig vom gewählten Arbeitsmedium gilt und

      3 dies für beliebige Wege gilt.

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      (a) Der Carnot‐Kreisprozess

      1 Das Gas wird in thermischen Kontakt mit der Wärmequelle gebracht und durchläuft dann eine reversible isotherme Expansion von A nach B bei Tw; die Entropieänderung des Systems ist dabei qw/Tw, wobei qw die vom System aus der Wärmequelle aufgenommene Wärmemenge ist.

      2 Der Kontakt mit der Wärmequelle wird unterbrochen und das Gas durchläuft eine reversible adiabatische Expansion von B nach C; das System gibt dabei keine Wärme an die Umgebung ab, die Entropieänderung ist folglich null. Während dieser Expansion fällt die Temperatur von Tw auf Tk, die Temperatur der Wärmesenke.

      3 Das Gas wird in thermischen Kontakt mit der Wärmesenke gebracht und durchläuft dann eine reversible isotherme Kompression von C nach D bei Tk; dabei wird die Wärmemenge qk an die Wärmesenke abgegeben, die Entropieänderung ist qk/Tk, wobei qk negativ ist.

      4 Schließlich wird der Kontakt zur Wärmesenke unterbrochen, und das Gas durchläuft eine reversible adiabatische Kompression; das System nimmt keine Wärme aus der Umgebung auf, die Entropieänderung ist folglich wieder null. Die Temperatur steigt von Tw auf Tk.

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      Die Gesamtentropieänderung im Kreisprozess ergibt sich aus der Summe der Änderungen in jedem der vier Teilschritte:

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      In Herleitung 3.1 wird gezeigt, dass für ein ideales Gas die Summe der beiden Terme auf der rechten Seite dieser Beziehung null ergibt; dadurch wird bewiesen, dass (zumindest für dieses Arbeitsmedium) die Entropie eine Zustandsfunktion ist.

      Zunächst