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Entropie

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Physik und Literatur am Beispiel Arno Schmidts

Der Schriftsteller Arno Schmidt (1914 – 1979) nimmt kein Blatt vor den Mund. Seine oft bissige Art auch Schriftstellkollegen wegen deren Unzulänglichkeiten bei naturwissenschaftlichen Fragen zu  kritisieren, findet man wohl kein zweites Mal in der Belletristik . Weiterlesen

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Säulen der Erde

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 10 (2017), S. 68 – 69

Wenn Lava erstarrt, erzeugen Spannungen im abkühlenden Basaltgestein ein Netzwerk von Rissen. Die Spalten formen tiefe Säulen mit einem faszinierend regelmäßigen, meist sechseckigen Querschnitt. Weiterlesen

Tropfenbahnen am Fenster

Was bleibt einem nach einem verregneten Sommer anderes übrig, als den wässrigen Erscheinungen auch etwas Positives abzugewinnen. So bemerke ich beispielsweise zu Beginn eines neuen Regenschauers, dass die ersten Tropfen sich oft perlenkettenartig auszurichten scheinen, wie auf dem Foto zu sehen. Später wenn die Anzahl der Tropfen überhand nimmt, geht dieses Phänomen im Tropfengedränge unter. Weiterlesen

Licht stirbt den Wärmetod

lichttod_lichtschatten101_2Die Löschung des Lichtes zu Hitze ist sein eigentlicher Tod.
Alles Licht, das durch Materie gelöscht wird, die sich dabei erwärmt,
ist gestorben und der Schatten ist die Spur, welche sein Tod hinterlässt.

Alfred Schmidt (1931 – 2002).

Eine sehr schöne anthropomorphe Umschreibung der Absorption von Licht durch einen Gegenstand. Im Allgemeinen wird nicht alles Licht, das auf einen Körper auftrifft in Wärme verwandelt. Dies ist nur bei einem absolut schwarzen Körper der Fall. Ein im Licht stehender Gegenstand nimmt normalerweise einen Teil des auftreffenden Lichts auf und gibt einen Teil des Lichts, meist in einer bestimmten Farbe wieder ab. Indem wir dieses Licht aufnehmen, sehen wir den Gegenstand. Hinter dem Gegenstand entsteht je nachdem ob der Körper lichtdurchlässig oder undurchlässig ist ein mehr oder weniger ausgeprägter Schatten.
Die Umschreibung der Umwandlung von Licht in Wärme (bei Umgebungstemperatur) durch den Tod bringt auf ausdruckstarke Weise die Irreversibilität dieses Vorgangs zum Audruck. Denn die entstehende Wärme wandelt sich nicht von selbst wieder in sichtbares Licht zurück, obwohl die Energie dazu vorhanden wäre.

Guttation – ein Notfallprogramm der Pflanzen

Guttation_rvIm Frühtau findet man die Blätter von Pflanzen häufig mit winzigen Tröpfchen besetzt: Tautropfen. Sie entstehen dadurch, dass durch die Abkühlung in der Nacht der Taupunkt unterschritten wird: Weil die maximale Feuchtigkeit mit der Temperatur abnimmt, wird sie kleiner als die absolute Feuchtigkeit, sodass der überschüssige Wasserdampf zu kleinen Tröpfchen kondensiert. Weiterlesen

Física de las telarañas

Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia Mayo 2017 Nº 488

La seda de estos arácnidos debe algunas de sus asombrosas propiedades a un revestimiento líquido. Este ayuda a preservar la estructura de la telaraña y, al mismo tiempo, contribuye a tensar los hilos.

Las telas de araña pueden provocar reacciones opuestas. En ocasiones, sus pegajosos hilos nos causan repugnancia, como cuando descubrimos grandes nidos de polvo en las esquinas de una habitación o cuando se nos quedan enganchados al tocarlos. En otras, en cambio, la estética de una telaraña circular perfectamente tensada puede resultar cautivadora. Así ocurre cuando las vemos cubiertas de rocío o cuando despliegan un iridiscente juego de colores a la luz del sol.
Hace decenios que los científicos se interesan por este sorprendente material. ¿Qué lo hace tan elástico y, al mismo tiempo, tan estable? Hay dos razones por las que resulta tan difícil quitar las telarañas: son pegajosas y muy extensibles. Como veremos, ambas propiedades se encuentran estrechamente relacionadas.
Collares de perlas microscópicos
Las arañas construyen su tela a partir de una solución (secreción de espidroína, una especie de cristal líquido) que expulsan de su abdomen. En contacto con el aire, la mezcla se solidifica de inmediato y da lugar a una fibra extraordinariamente resistente. Las arañas pueden producir diferentes tipos de hilo en función del uso que vayan a darle. Para la estructura básica de la tela, numerosas especies, como la araña de jardín europea, tejen hilos radiales. Estos son muy rígidos y enseguida se comban si acercamos sus extremos, aunque solo sea en un pequeño porcentaje.
Sobre esta estructura radial, la araña fija a continuación una espiral fabricada con un «hilo de captura». Al contrario que los primeros, este seguirá estando tenso incluso si lo contraemos hasta un 5 por ciento de su longitud original. Esta propiedad resulta óptima para capturar presas, ya que incluso aquellos insectos que choquen contra la telaraña a gran velocidad solo la deformarán, en lugar de romperla. Por otro lado, que no resbalen por la malla ni sean catapultados en sentido opuesto, como en una cama elástica, se debe a otra importante característica de los hilos de captura: se hallan cubiertos de diminutas gotitas adhesivas, las cuales retienen cruelmente a la presa y evitan que escape. Esos puntos adhesivos se distribuyen a lo largo del hilo a intervalos muy regulares, como las perlas de un collar. Sin embargo, no es la araña la que debe encargarse de disponerlos de esa forma: el ribete de gotitas se crea de manera espontánea por pura necesidad física

PDF: Física de las telarañas

Diesen Beitrag gibt es auch in Deutsch.

Verfall – Spuren der Zeit

entblaettern_rvDinge werden durch die Zeit beeinträchtigt, in dem Sinne wie wir zu sagen pflegen, daß die Zeit die Dinge zerbröckelt, und daß alles durch die Zeit altert und durch den Zeitablauf in Vergessenheit gerät. Aber wir sagen nicht, daß wir durch die Zeit gelernt haben, oder daß etwas durch sie neu oder schön geworden ist, denn wir sehen die Zeit an sich eher als Ursache des Verfalls an… Weiterlesen

Glaubst du, alles bliebe?

Zerfall-1_rvDoch! wie bald
Welket Schönheit und Gestalt!

Wilhelm Hauff (1802 – 1827) Weiterlesen

Neugierige Blasen auf dem Teich. Was glotzt ihr?

Augen_aus_Blasen_rvIch sitze am Teich und lese. Plötzlich spüre ich, dass mich jemand beobachtet. Es ist aber weit und breit keiner da – bis auf einige Blasen auf der Wasseroberfläche, die mich anzuglotzen scheinen. Als ich mich nähere, scheint mich ihr Blick simultan zu verfolgen. Es ist mein Spiegelbild auf den glänzenden Hemisphären aus sphärisch gespanntem Teichwasser, das – wie ich mich auch drehe und wende – wie die Pupillen mich fixierender Augen immer genau auf mich ausgerichtet ist. Weiterlesen

Seifenblasenpingpong

Seifenblasentrampolin_rvping pong

­            ping pong ping

­            pong ping pong

­                                  ping pong

Eugen Gomringer (*1925) Weiterlesen

Wie sich Spinnennetze spannen

Wie-sich-Spinnnennetze-spanSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft  3  (2016), S. 46 – 47

Einige seiner erstaunlichen Eigenschaften verdankt der Spinnenfaden einer Flüssigkeitshülle. Diese hält das Seidengeflecht in Form und macht es zugleich elastisch. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Oktober 2015

117_Farben-schwingenden-SeiBewegte Farben – wie entstehen sie? Gesehen im Science Center Phaeno

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Tropfenbelastete Pflanzen

Das Schwimmgleichgewicht energetisch betrachtet

Schiff_AuftriebSuhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 67/1 (2014) 23 – 26

Wenn man sich mit schwimmenden Gegenständen befasst, beschränkt man sich meistens auf den Endzustand eines Vorgangs, bei dem das aus Flüssigkeit und Gegenstand bestehende System bereits ins Gleichgewicht gelangt ist. Aus der in der vorliegenden Arbeit eingenommenen energetischen Perspektive rückt dagegen dieser Vorgang selbst in den Blick, wobei diese Art der Erschließung völlig auf den Druckbegriff verzichten kann. Neben einer allgemeinen qualitativen Erörterung des Problems  werden einige konkrete Beispiele quantitativ beschrieben.

PDF: Kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Chaotische Tropfenproduktion

Lano Geburtstag TropfenZur Feier des Tages soll auch mal ein Experimentator zu Wort bzw. Bild kommen (Worte kommen später), dem es gelingt, mit kreativer Hand aus dem Seifenschaum baumartige Gewächse zu schlagen. Man beachte, dass die aus dem Schaum geborenen Gebilde dabei sind, einen runden „Kopf“ auszubilden. Offenbar lassen sie es sich auch in einer solchen chaotischen Situation nicht nehmen, so viel Energie wie unter den gegebenen Umständen möglich an die Umgebung abzugeben, indem sie dort wo sie können, an der Spitze, beginnen die Oberfläche so klein wie möglich zu machen, also eine Kugel anzustreben.

Dort wo die Spritzer klein sind, bilden sich sogar fast perfekte Schaumkugeln aus, die ihr kurzes Dasein auch noch durch Schatten bekräftigen. Seit Peter Schlemihl wissen wir ja, dass man ohne Schatten so gut wie nichts ist.

Wir wünschen Lano, dass sich seine kreative Virtuosität im kommenden Jahr auf weitere Elemente ausdehnt.

 

Lautlose Explosionen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/3 (2013), S.Clip_135 52-53

Bleiben Sie gelassen, wenn sich Rotwein über das weiße Tischtuch ergießt. Denn dabei können Sie einen komplexen Strukturbildungsprozess studieren.

Betrachte die Flecken an der Wand,
die Asche im Ofen,
die Wolken oder den Rinnstein
Beim genauen Beobachten
wirst du dort wunderbares
entdecken.
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Laulose Explosionen

Gleich und gleich gesellt sich gern

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/8 (2012), S. 49-51

Objekte, die auf Wasseroberflächen schwimmen, verhalten sich oft unerwartet. Verantwortlich dafür sind die beteiligten Grenzflächenenergien.

Vielleicht ist viel mehr an der Oberfläche –
vielleicht ist alles falsch, was nicht Oberfläche ist?
Elias Canetti (1905 – 1994)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/gleich-und-gleich-gesellt-sich-gern/1155296

Was das Feuer am Leben hält

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/12 (2011), S. 44 – 45

Damit eine Kerzenflamme ruhig brennen kann, müssen zahlreiche komplexe Vorgänge perfekt aufeinander abgestimmt sein.

In der Flamme sind alle Naturkräfte tätig.
Novalis (1772 – 1801)

Die gute alte Kerze hat alle Neuerungen der Beleuchtungstechnik überstanden. Gerade auch in der Adventsund Weihnachtszeit, wenn die Tage kürzer werden, setzt sie Zeichen der Hoffnung, der Freude und des Lebens. Was aber denkt sich der Physiker bei ihrem Anblick? Ihn beeindruckt über all das hinaus der Kontrast zwischen der Einfachheit der ruhig vor sich hin brennenden Flamme und dem, was unsichtbar bleibt: dem komplexen Zusammenspiel physikalischer, chemischer und technologischer Vorgänge, die das Phänomen erst möglich machen.

Die Kerzenflamme, so beständig sie erscheint, ist Ergebnis eines äußerst bewegten Mikrogeschehens: In jedem Moment verlassen Teilchen verglühend den klar umgrenzten Bereich der Flamme und werden durch neu erglühende Teilchen ersetzt. Rein energetisch betrachtet ist die Flamme der sichtbare Teil einer „dissipativen Struktur“ (Ilya Prigogine), eines von Energie und Materie durchströmten Systems fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Aufrechterhalten wird die Flamme durch die Dissipation von Energie: Sie nimmt hochwertige chemische Energie und Materie in Form von Kerzenwachs und Sauerstoff auf und gibt im Gegenzug Wärme und Gase an die Umgebung ab. Energie- und Materieströme bleiben dabei im zeitlichen Mittel konstant. Warum klappt das so gut? Oder etwas technischer gefragt: Wie kommt es zu dieser eindrucksvollen Selbstorganisation gut aufeinander abgestimmter Vorgänge?

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/was-das-feuer-am-leben-haelt/1124690

Paradoxe Federn aus dem Blickwinkel des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik

Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 57/2  (2004) S. 78 – 80.

Situationen, die unsere Anschauung auf Kollisionskurs bringen, verweisen oft auf eine tiefe physikalische Einsicht, auch wenn sie sich als so genannte Paradoxa in die Lehrbuchliteratur eingeschrieben haben. Man denke nur an das hydrodynamische und hydrostatische Paradoxon, an das GIBBsche und an das Uhrenparadoxon, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere in diesem Sinne paradoxe Situationen in der Physik, ohne dass sie zu
einer entsprechenden Namensgebung gelangt wären. Diese zuweilen in Form eines Rätsels oder einer Denksportaufgabe gekleideten Herausforderungen der lebensweltlichen Intuition sind oft von didaktischem
Nutzen, weil sie physikalische Überzeugungen auf die Probe stellen und zu physikalischen Argumentationen anregen.

Manche derartig paradox erscheinende Situationen lassen sich mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik aus der Welt schaffen und helfen dabei, mit der Universalität dieses Prinzips vertraut zu werden. Als Beispiel sei an die nur mechanische Sachverhalte betreffende Frage erinnert, um wie viel die
Energie des Wassers in einem Gefäß abnimmt, wenn man das Gefäß an der tiefsten Stelle mit einem gleichgroßen leeren zweiten Gefäß verbindet [1]. Wenn man das Problem nicht schon kennt oder aufgrund der vermeintlichen Trivialität Verdacht schöpft, tappt man unweigerlich in die Falle.

PDF: Paradoxe Federn aus dem Blickwinkel des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik

Von der Energieentwertung zur Entropie

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 7-11 (2000).

Zur physikalischen Beschreibung der lebensweltlichen Energie sind zwei komplementäre physikalische Konzepte nötig: Energie und Entropie. Die Energie beschreibt den Erhaltungsaspekt, die Entropie den Verbrauchs- und Antriebsaspekt. Wir haben vorgeschlagen, die Entropie im Rahmen der Mittelstufenphysik vorläufig durch das (qualitative) Konzept der Energieentwertung zu ersetzen und dadurch ein weitgehendes qualitatives Verständnis der Energetik zu erreichen. Auf dieser Grundlage wird im folgenden ein Weg zu einer Quantifizierung der Energieentwertung als Entropie skizziert.

PDF: Von der Energieentwertung zur Entropie

Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften/ Physik 49/2 (2000); 2-6. 

Geht man davon aus, dass es zu den allgemeinen Zielsetzungen des Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, dass Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 12-16 (2000).

Im Rahmen des Energieentwertungkonzepts wird das Warmhalten von Tee auf einem Stövchen folgendermaßen beschrieben: Der selbsttätige Vorgang der Abkühlung des Tees auf Umgebungstemperatur wird ständig durch den Vorgang des Abbrennens der Kerze zurückgespult, so dass das Teewasser auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur eingeregelt und das System in einem stationären Nichtgleichgewichtszustand gehalten wird. Solche Nichtgleichgewichtszustände umgeben uns in großer Zahl…

PDF: Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Energieentwertung und Entropie

Schlichting, H. Joachim. In: Schriften des Deutschen Vereins zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts e.V, Heft 61, S. 37 : Fragen der Physiklehrerausbildung, ISSN 0179-7670.

Geht man davon aus, daß es zu den allgemeinen Zielsetzungen des  Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die  Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der  Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß  sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen  der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine  wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider  beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den  Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, daß Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung und Entropie

Vergängliche Zeit

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 32/12 (1994).

Die Sanduhr ist nicht nur ein frühes Zeitmeßinstrument, sondern auch Symbol für die mit dem Ablauf der Zeit verbundene und durch den rieselnden Sand sichtbar vor Augen geführte Vergänglichkeit des Lebens und aller mit ihm verbundenen positiven und negativen Erlebnisse, denn…

PDF: Vergängliche Zeit

Energie, Entropie, Synergie – Ein Zugang zur nichtlinearen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 46/3, 138-148 (1993).

Energie und Entropie erscheinen nicht nur für das Verständnis und eine sachgerechte Einschätzung der Energie- und Umweltproblematik von. Bedeutung. Darüber hinaus ermöglichen diese Konzepte einen relativ einfachen Zugang zu Problemen der nichtlinearen Physik. Es wird dargestellt, wie ausgehend von lebensweltlichen Erfahrungen mit Energie und Dissipation von Energie (Energieentwertung) unter Berücksichtigung nichtlinearer Verhaltensweisen das Konzept dissipativer Strukturen eingeführt und zu einem Verständnis der unter so entgegengesetzt erscheinenden Begriffen wie Synergetik und Chaos diskutierten nichtlinearen Physik führen kann.

PDF: Energie, Entropie, Synergie – Ein Zugang zur nichtlinearen Physik

Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: physica didactica 12/2, 35 (1985).

Die übliche Einführung der Entropie als Erhaltungsgroße bei reversiblen Vorgängen verschleiert ihre Bedeutung bei der Beschreibung alltäglicher Erfahrungen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Entropie als Maß für die Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) oder auch für den Antrieb natürlicher
Vorgänge wie eine Grundgröße einzuführen. Bei der völlig analogen Behandlung von chemischen Reaktionen und physikalischen Reibungsvorgängen erweist sich der so eingeführte Entropiebegriff als mögliches starkes Bindeglied zwischen Chemieund Physikunterricht. Wegen ihres weitgehend qualitativen Charakters gehört ein Teil der Überlegungen bereits in den Unterricht der Sek.I.

PDF: Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

Der exergetische Wirkungsgrad

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der Physikunterricht 18/3, 58-61 (1984).

Der exergetische Wirkungsgrad wird eingeführt, um bei der Beurteilung von Energiewandlern den Wert der beteiligten Energiearten berücksichtigen zu können. Am Beispiel einer Raumheizung werden energetischer und  exergetischer Wirkungsrad miteinander verglichen.

PDF: Der exergetische Wirkungsgrad

Energieverbrauch und Energieentwertung

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo. In: Der Physikunterricht 18/3, 24 (1984).

Ausgehend von den Schwierigkeiten, die vorwissenschaftlichen Erfahrungen und Vorstellungen zur Energie mit dem fachlichen, auf der Energieerhaltung beruhenden Energiebegriff zu erfassen, wird vorgeschlagen, zusätzlich zur Energieerhaltung das Konzept der Energieentwertung einzuführen. Die Energieentwertung beschreibt die letztlich auf der Irreversibilität beruhenden Erfahrungen im Zusammenhang mit energetischen Vorgängen.

PDF: Energieverbrauch und Energieentwertung

Zur Geschichte der Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. Der Physikunterricht 18/3, 5-13 (1984).

Die Hauptentwicklungslinien des phänomenologischen Irreversibilitätskonzepts werden aufgrund historischer Quellen dargestellt. Dabei liegt das Augenmerk auf der Erörterung der verschiedenen Artikulationen, die die Irreversibilität im Laufe ihrer Geschichte erfahren hat.

PDF: Zur Geschichte der Irreversibilität

Entropie und Exergie: Zwei Größen zur Beschreibung von Irreversibilität und Energieentwertung

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der Physikunterricht 18/3, 41-57 (1984).

Die in dem vorangegangenen Aufsatz (Schlichting et al. 1984) zu einem qualitativen physikalischen Begriff gewordene Vorstellung von der Energieentwertung wird mit Hilfe der Additivitätsforderung zu einer quantitativen Größe verschärft, die die Irreversibilität von selbständigen Prozessen beschreibt. An Beispielen werden die Möglichkeiten zur Abschätzung und Messung dieser Größe gezeigt und der Zusammenhang mit der absoluten Temperatur abgeleitet. Die Energieentwertung kann sowohl auf den Entropie, als auch auf den Exergiebegriff zurückgeführt werden. Ein Vergleich dieser beiden Größen zeigt, daß sich die Werte der Exergie besser als die der Entropie im Rahmen eines energetischen Wertkonzepts interpretieren lassen.

PDF: Entropie und Exergie: Zwei Größen zur Beschreibung von Irreversibilität und Energieentwertung

Energie und Energieentwertung in Naturwissenschaft und Umwelt

Energie und Energieentwertung_rvSchlichting, H. Joachim. Heidelberg: Quelle & Meyer 1983

Vorbemerkung

Das anhaltende öffentliche Interesse, das der Energieproblematik seit Jahren entgegengebracht wird, hat u. a. zur Folge gehabt, daß die neueren Schulbücher der Energie verhältnismäßig viel Platz einräumen. Diese Aktualisierung des Schulstoffs vermag u. E. jedoch nur wenig zu einem tieferen Verständnis der Energie und der mit ihr zusammenhängenden Probleme der wissenschaftlich technischen Welt beizutragen, u. a. deshalb, weil

  • das Energiekonzept weitgehend unabhängig von seiner Bedeutung für das Alltagsleben eingeführt und
  • auf einen Aspekt, den Erhaltungsaspekt, beschränkt wird, obwohl der Verbrauchs- bzw. Entwertungsaspekt der Energie im Alltag viel ausgeprägter vorzufinden ist.

Sieht man von den wenigen Ausnahmen ab, so spricht der erste Punkt die gängige Praxis an, die Energie als mechanische Größe aus anderen Größen nach dem Schema Kraft à Arbeit à Energie abzuleiten und zu verstehen. Dieser Umweg über andere Größen verzichtet nicht nur auf die Möglichkeit, an das auf vielen vertrauten Vorgängen und Phänomenen beruhende Alltagsverständnis der Energie anzuknüpfen und es entsprechend zu präzisieren, sondern lenkt davon sogar ab. Die Folge ist eine dem Verständnis der Energie abträgliche Interferenz zweier Energiebegriffe. Darüberhinaus konstruiert eine solche physikalische Behandlung der Energie eine weitere Differenz zur Alltagserfahrung: Die Energie wird als Erhaltungsgröße ausgegeben. Die in diesem Zusammenhang auftretende Frage, wieso es dann überhaupt eine Energiekrise geben könne, spielt demgegenüber auf jene Erfahrungen an, die die Energie in den Brennpunkt der gesellschaftspolitischen Auseinandersetzung gerückt hat:

  • Demnach droht der Menschheit die Energie auszugehen.
  • Energiequellen werden in zunehmendem Maße erschöpft.
  • Nach neuen Energieträgern wird gesucht.
  • Allenthalben wird dazu aufgefordert, nicht zu viel Energie zu verbrauchen, sparsam mit ihr umzugehen, energiebewußt zu leben usw.

Außerdem spricht die Erfahrung, daß Heizöl- und Autotanks leer werden, für verbrauchtes Gas und elektrische Energie monatlich bezahlt werden muß, nicht gerade gegen die Möglichkeit des Energieverbrauchs.

Will man die Diskrepanz zwischen dem, was man als Realität wahrnimmt, und der naturwissenschaftlichen Beschreibung derselben nicht noch am Beispiel der Energie vergrößern, so muß es darum gehen, deutlich zu machen, daß Energieerhaltung und Energieverbrauch sich nicht widersprechen müssen, sondern gewissermaßen komplementäre Aspekte derselben Erfahrungen darstellen.

In diesem physikalischen Arbeitsbuch werden auf der Grundlage alltäglicher Erscheinungen die Energie und als notwendige Ergänzung dazu die Energieentwertung als physikalische Größen eingeführt und für das Verständnis der Fragen herangezogen, die unter dem Begriff Energieproblematik (Energieversorgung, Energieverschwendung, Energiesparen usw.) diskutiert werden.

Dabei steht einerseits die exemplarische Vertiefung der durch diese Konzeption aufgeworfenen Probleme im Vordergrund. Andererseits soll aber auch ein Überblick über die wichtigsten Aufgaben und Fragen gegeben werden. Durch zahlreiche Querverweise im Text wird versucht, die vielfältigen Verbindungen zwischen den einzelnen Betrachtungen aufzuzeigen. Hinweise auf möglichst einfach zugängliche Literaturstellen sollen darüber hinaus Möglichkeiten zu Erweiterungen und Vertiefungen geben.

Problemstellungen, die über den physikalischen Rahmen hinausgehen, können im einzelnen nicht verfolgt werden. Es wird aber darauf geachtet, daß in Fällen, in denen eine rein physikalische Behandlung wesentliche Gesichtspunkte unterschlägt, Vertiefungen in der einen oder der anderen Richtung angedeutet werden, bzw. auf Vertiefungsmöglichkeiten durch Angabe geeigneter Literaturstellen hingewiesen wird.

Die Einführung der Entropie als Irreversibilitätsmaß – Begriffsbildung und Anwendung auf einfache Beispiele

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 34/5, 282 (1981).

Im Unterschied zur üblichen Entropieeinführung wird hier ein Begriffsapparat entwickelt, mit dem es möglich ist, die Entropie ohne Kenntnis der Thermodynamik idealer Gase als Maß für die Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) natürlicher Vorgänge zu begreifen. Die Autoren hoffen, dadurch ein Verständnis der Entropie in der Schule zu ermöglichen, das der übergreifenden Bedeutung dieses Konzeptes gerecht wird.

PDF: Die Einführung der Entropie als Irreversibilitätsmaß – Begriffsbildung und Anwendung auf einfache Beispiele

Der Zusammenhang zwischen Energie, Entropie und Temperatur

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: A. Scharmann (Hrsg.), Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1980, S. 201- 207

Das Verständnis der thermodynamischen Temperatur wird u. E. durch folgende Umstände erschwert: Bereits die im Zusammenhang mit der Behandlung idealer Gase eingeführte Temperatur ! erhält das Attribut „absolut“, obwohl sie genau wie andere Temperaturskalen definiert wird mit Hilfe der thermischen Verhaltens bestimmter Stoffe. Sowohl die Zahlenwerte als auch die Einheit der thermodynamischen Temperatur stimmen überein mit denen der Idealen-Gas-Temperatur. Es wird dadurch schwierig, den begrifflichen Unterschied zwischen beiden Größen zu verstehen. Die Situation ist diesbezüglich ähnlich entsprechenden Schwierigkeit beim Verständnis von schwerer und träger Masse.
Die üblicherweise nach der Berechnung des Carnotschen Wirkungsgrades angegebene Definitionsgleichung für die thermodynamische Temperatur ist nur richtig unter der Voraussetzung reversibler Prozesse. Dadurch wird der Blick auf die Bedeutung, die die thermodynamische Temperatur gerade für mit Entropieänderung verbundene Vorgänge besitzt, zunächst sperrt.

PDF:  Der Zusammenhang zwischen Energie, Entropie und Temperatur

Entropie und Ordnung bei Anwesenheit von Feldern

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo; Farwig, Paul. In: A. Scharmann, W. Kuhn (Hrsg.), Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1979, S. 195.

Die in intuitiven Beziehungen zwischen Unordnung und Entropie können auch im Falle der Anwesenheit von Feldern mit gleicher Berechtigung aufrechterhalten werden können und ebenso nützlich bei der Konzeptualisierung des Entropiebegriffs sein können wie etwa im eingangs diskutierten Beispiel der Kristallisation. Nur eine allzu sorglose Beobachtung der Phänomene, die häufig durch die Unauffälligkeit thermischer Effekte bzw. die Vernachlässigung gleichzeitig in der Umgebung des betrachteten Systems ablaufender Prozesse bedingt wird, können scheinbare Widersprüche zum 2. Hauptsatz auftreten.

PDF: Entropie und Ordnung bei Anwesenheit von Feldern