Entropie in der Experimentalphysik

Hallöchen

Ich hatte vor 7 Jahren schon mal Versucht, ein Verständnisproblem meinerseits zu lösen. Damals ohne Erfolg. Vielleicht habe ich jetzt eine bessere Frage zu meinem „Problem“ gefunden:

Im Wasser entsteht (an der Erdoberfläche) im allgemeinen ein Temperaturgradient. Meist wird dieser wohl durchs Wetter provoziert, aber was, wenn das Wetter „ausgesperrt“ wird ?
Dazu nehme ich einen Behälter mit Wasser, 1m hoch, 1m² Grundfläche
und (relativ gut) isoliert (vor äußeren Temperatur- und Druchschwankungen) Das einzige was jetzt noch einwirken kann, ist die Erdanziehungskraft. Im Ausgangszustands hat das Wasser eine homogene Temperatur von 20°C.
Entsteht unter diesen Bedingungen auch ein Temperaturgradient, und wenn ja - wie hoch kann der Temperaturunterschied vom oberen zum unter „Pol“ werden und mit welchem thermischen „Innenwiderstand“ wäre zu rechnen ?

Das sollte doch ein praktisches Problem sein (Maxwells Dämon hatte mir vor 7 Jahren leider nicht geholfen)

Ich bin - wie damals - gespannt auf die Antworten

Egon Eprom

Hallöchen

Ich hatte vor 7 Jahren schon mal Versucht, ein
Verständnisproblem meinerseits zu lösen. Damals ohne Erfolg.
Vielleicht habe ich jetzt eine bessere Frage zu meinem
„Problem“ gefunden:

Im Wasser entsteht (an der Erdoberfläche) im allgemeinen ein
Temperaturgradient. Meist wird dieser wohl durchs Wetter
provoziert, aber was, wenn das Wetter „ausgesperrt“ wird ?
Dazu nehme ich einen Behälter mit Wasser, 1m hoch, 1m²
Grundfläche
und (relativ gut) isoliert (vor äußeren Temperatur- und
Druchschwankungen) Das einzige was jetzt noch einwirken kann,
ist die Erdanziehungskraft. Im Ausgangszustands hat das Wasser
eine homogene Temperatur von 20°C.
Entsteht unter diesen Bedingungen auch ein Temperaturgradient,
und wenn ja - wie hoch kann der Temperaturunterschied vom
oberen zum unter „Pol“ werden und mit welchem thermischen
„Innenwiderstand“ wäre zu rechnen ?

Das sollte doch ein praktisches Problem sein (Maxwells Dämon
hatte mir vor 7 Jahren leider nicht geholfen)

Ich bin - wie damals - gespannt auf die Antworten

meinst du den temperaturunterschied von 20 grad an der wasseroberfläche zu 4 grad am boden im ozean und ob es den in einem isolierten kubikmeter wasser in ansätzen auch gibt?

wenn nicht, hab ichs nicht verstanden:smile:

öhm…ich muss weg…


Im Wasser entsteht (an der Erdoberfläche) im allgemeinen ein
Temperaturgradient. Meist wird dieser wohl durchs Wetter
provoziert, aber was, wenn das Wetter „ausgesperrt“ wird ?
Dazu nehme ich einen Behälter mit Wasser, 1m hoch, 1m²
Grundfläche
und (relativ gut) isoliert (vor äußeren Temperatur- und
Druchschwankungen) Das einzige was jetzt noch einwirken kann,
ist die Erdanziehungskraft. Im Ausgangszustands hat das Wasser
eine homogene Temperatur von 20°C.
Entsteht unter diesen Bedingungen auch ein Temperaturgradient,
und wenn ja - wie hoch kann der Temperaturunterschied vom
oberen zum unter „Pol“ werden und mit welchem thermischen
„Innenwiderstand“ wäre zu rechnen ?

meinst du den temperaturunterschied von 20 grad an der
wasseroberfläche zu 4 grad am boden im ozean und ob es den in
einem isolierten kubikmeter wasser in ansätzen auch gibt?

wenn nicht, hab ichs nicht verstanden:smile:

öhm…ich muss weg…

Ja, genau den meine ich

also rein theoretisch müsstest du den effekt im miniformat in einem kubikmeter wasser auch haben, weil wärme nach oben steigt und nach unten die dichte zunimmt. praktisch stelle ich mir die messung kompliziert vor und den unterschied quasi null.
im nordpolarmeer ist es oben kälter, weil die temperatur oben kleiner ist. am äquator ist es oben wärmer, weil die temperatur oben größer ist.
die 4 grad unten entstehen, weil wasser bei der größten dichte (und in diesem fall auch dem größten druck) 4 grad annimmt(henne-ei), weil der grund gegen licht und andere einflüsse von außen isoliert ist und weil die bodentemperatur es hergibt. ist der boden durch lavagestein oder einfach nur durch die sonne(weil zu flach) angewärmt, ist das wasser unten auch heiß. ist der ein see nur 3 meter tief, friert er im winter völlig zu, inclusive fische, weil das wasser zwischen oberfläche und boden nicht ausreichend isoliert.
der druck spielt insofern eine rolle, als dass er den gefrierpunkt verschiebt.

das wäre meine erklärung…du bekommst sicher noch kompetentere und mathematischere.

weswegen die überschrift mit der entropie?

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Dazu nehme ich einen Behälter mit Wasser, 1m hoch, 1m²
Grundfläche
und (relativ gut) isoliert (vor äußeren Temperatur- und
Druchschwankungen) Das einzige was jetzt noch einwirken kann,
ist die Erdanziehungskraft. Im Ausgangszustands hat das Wasser
eine homogene Temperatur von 20°C.
Entsteht unter diesen Bedingungen auch ein Temperaturgradient

Nein. Um einen Temperaturgradienten zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, musst Du an einer Stelle hizen und an einer anderen kühlen.

die 4 grad unten entstehen, weil wasser bei der größten dichte

Das Wasser in den Ozeanen hat keine Dichteanomalie. Dafür ist die Salinität zu hoch. Die Temperatur am Grund der Ozeane wird durch andere Faktoren bestimmt und liegt keinesfalls überall bei 4°C.

dass nicht überall 4 grad sind, ist klar:smile:
nach dem mir vorliegendem diagramm jedoch ist die dichteanomalie bei normalem meerwasser/ozeanwasser noch nicht verschwunden. das salzgehalt liegt dort bei ca. 3.5% und das verschiebt die anomalie nur leicht. erst ab ca. 20% ist die anomalie verschwunden - also im toten meer z.b.
selbst bei 15% zieht sich die höchste dichte von 0 bis ca. 2 grad.

…oder aber ich lese das diagramm falsch…

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Ich muß bei meinem Problemchen wohl noch mal nachlegen:

Die Temperatur- und Dichtebedingungen der Ozeane sollten bei meinem Experiment keine Rolle spielen. Die 20°C Initialtemperatur habe ich gewählt, weil mir das ein realistischer Wert ist und weit genug von
den Dichtemaximum „+4°C“ entfernt ist. (vorerst zumindest)
Bei eben diesen 2°C haben die Wassermoleküle schon eine ordentliche Thermodynamische Eigenbewegung. Und die ist sicherlich nicht immer und überall gleich. Das hat wohl schon was mit Entropie zu tun. Was mich aber wirklich reizt, ist die Frage, ob da überhaupt ein Temperaturgradient entsteht. Ist dies der Fall, hieße das, daß ‚lauwarmen‘ Wasser sich selbst wieder in ‚warm‘ und ‚kalt‘ trennt.

Und wenn dieser Temperaturgradient dann auch noch belastbar wäre, ergäbe sich eine interressante Energiequelle. Und das ist doch mit der landläufigen vorstellung von Entropie nicht vereinbar.

Auslöser dieses meines Hirngespinstes ist die Aussage eines Physikprofessors, daß ein Gummiball nicht spontan in die Höhe springt -nicht weis es unmöglich ist, sondern beliebig unwarscheinlich.

Mit diesem Experiment, welches ich z. Zt. aus praktischen Gründen nicht ausführen kann, wollte ich eigentlich nur den Nachweis erbringen, daß die Entropie ja vielleicht doch umkehrbar ist…
wieder war

MOD: Vollzitat gelöscht.

Die Temperatur- und Dichtebedingungen der Ozeane sollten bei
meinem Experiment keine Rolle spielen. Die 20°C
Initialtemperatur habe ich gewählt, weil mir das ein
realistischer Wert ist und weit genug von
den Dichtemaximum „+4°C“ entfernt ist. (vorerst zumindest)
Bei eben diesen 2°C haben die Wassermoleküle schon eine
ordentliche Thermodynamische Eigenbewegung. Und die ist
sicherlich nicht immer und überall gleich. Das hat wohl schon
was mit Entropie zu tun. Was mich aber wirklich reizt, ist die
Frage, ob da überhaupt ein Temperaturgradient entsteht.

nein, meine aussage war nicht ganz korrekt.

Ist
dies der Fall, hieße das, daß ‚lauwarmen‘ Wasser sich selbst
wieder in ‚warm‘ und ‚kalt‘ trennt.
Und wenn dieser Temperaturgradient dann auch noch belastbar
wäre, ergäbe sich eine interressante Energiequelle. Und das
ist doch mit der landläufigen vorstellung von Entropie nicht
vereinbar.

richtig.

Auslöser dieses meines Hirngespinstes ist die Aussage eines
Physikprofessors, daß ein Gummiball nicht spontan in die Höhe
springt -nicht weis es unmöglich ist, sondern beliebig
unwahrscheinlich.

von gummis und statistik halte ich nichts - is n loch im gummi, steigt die wahrscheinlichkeit gleich auf 100%

Mit diesem Experiment, welches ich z. Zt. aus praktischen
Gründen nicht ausführen kann, wollte ich eigentlich nur den
Nachweis erbringen, daß die Entropie ja vielleicht doch
umkehrbar ist…

das möchte ich nicht wagen.

in deinem fall muss ein wärmegefälle vorhanden sein, damit die wärme von einer seite zur anderen geht, von oben nach unten oder unten nach oben.
ist kein wärmegefälle vorhanden und ist das gefäß ideal isoliert - und darüber hatte ich nicht gut nachgedacht - wird keine wärme irgendwo hingehen, weil alles gleich warm ist.
welche wärme sollte nach oben gehen? die wärme, die unten ist oder die obere? wer soll das entscheiden - das wasser hat kein hirn:smile:
und das widerspräche natürlich dem 2. hauptsatz, denn der besagt genau das. würde das überall gleich warme wasser in deinem behälter nach oben hin plötzlich wärmer werden(obwohl es vorher überall gleich warm war), würde das bedeuten, dass es unten kälter wird und oben wärmer.
das würde bedeuten, dass z.b. 20 grad warmes wasser 10 grad nach oben abgibt, die es von unten nimmt. und es würde weiter gehen. das wasser unten würde auch bei 10 grad seine wärme weiter nach oben abgeben, bis zu -273 grad. in der tat noch tolle sache, aber es widerspricht dem täglichen leben, wie wir es kennen.

MOD: Vollzitat gekürzt.

nach dem mir vorliegendem diagramm jedoch ist die
dichteanomalie bei normalem meerwasser/ozeanwasser noch nicht
verschwunden. das salzgehalt liegt dort bei ca. 3.5%

Und da die Dichteanomalie bei einer Salinität von 2,5% mit dem Gefrierpunkt (-1,34°C) zusammenfällt, hat durchschnittliches Meerwasser keine Dichteanomalie, weil es gefriert, bevor es sie erreicht.

erst ab ca. 20% ist die
anomalie verschwunden - also im toten meer z.b.
selbst bei 15% zieht sich die höchste dichte von 0 bis ca. 2
grad.

…oder aber ich lese das diagramm falsch…

Ich weiß ja nicht, was das für ein Diagramm ist, aber vielleicht verwechselst Du einfach nur Prozent und Promille.

Was mich aber wirklich reizt, ist die
Frage, ob da überhaupt ein Temperaturgradient entsteht. Ist
dies der Fall, hieße das, daß ‚lauwarmen‘ Wasser sich selbst
wieder in ‚warm‘ und ‚kalt‘ trennt.

Wie ich schon sagte, wird das nicht passieren. Aber selbst wenn es passieren würde, müßte das nicht notwendigerweise gegen die Hauptsätze verstoßen, weil das System nicht abgeschlossen ist. Nimm als Analogie einfach mal ein System, in dem sich ein schweres Gewicht nach unten bewegt, dabei einen Generator antreibt und dieser wiederum eine Wärmepumpe. Da entsteht auch ein Temperaturgradient, ohne dass irgendwelche Hauptsätze verletzt werden.

frage: es gibt kein temperaturgefälle aber der statische druck nimmt nach unten zu , für gase gilt dass sie wärme an die umgebung abgeben wenn der druck erhöt wird, (ich weiss dass wasser nicht komprimierbar ist) könnte das einen effekt haben???

Ich weiß ja nicht, was das für ein Diagramm ist, aber
vielleicht verwechselst Du einfach nur Prozent und Promille.

na wenigstens kann einer lesen…habs in der tat so klein gezoomt, dass ich die 2te null vom promillezeichen nicht gesehn hab.

MOD: Vollzitat gekürzt.

nach dem mir vorliegendem diagramm jedoch ist die
dichteanomalie bei normalem meerwasser/ozeanwasser noch nicht
verschwunden. das salzgehalt liegt dort bei ca. 3.5%

Und da die Dichteanomalie bei einer Salinität von 2,5% mit dem
Gefrierpunkt (-1,34°C) zusammenfällt, hat durchschnittliches
Meerwasser keine Dichteanomalie, weil es gefriert, bevor es
sie erreicht.

Hinzu kommt noch, dass die verbleibende flüssige Phase wegen dem Ausfrieren von Süßwasser einen höheren Salzgehalt hat als Wasser ohne Eis. Durch den höheren Salzgehalt erhält das Wasser eine höhere Dichte. Deswegen sinkt es beim Abkühlen bis auf den Gefierpunkt ab - und das hat nicht allzuviel mit der Dichteanomalie des Wassers zu tun.

Michael

wir müssen ein wenig aufpassen, denn wenn es ein geschlossenes system ist, ensteht ein temperaturgefälle, abhängig von der außentemperatur (und ihrem eventuellen gefälle.)

ich würde daher vom fragesteller noch mal genau wissen, was er will, geschlossen oder abgeschlossen, sonst reden wir alle aneinander vorbei.

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Was mich aber wirklich reizt, ist die
Frage, ob da überhaupt ein Temperaturgradient entsteht. Ist
dies der Fall, hieße das, daß ‚lauwarmen‘ Wasser sich selbst
wieder in ‚warm‘ und ‚kalt‘ trennt.

Wie ich schon sagte, wird das nicht passieren.

wenn das system geschlossen wäre, gäbe es ein gefälle, nämlich von innen nach außen(bzw. umgekehrt) - anschließend wäre die entropie 0 und dank des 2. hauptsatzes würde sich die temperatur überall gleich groß halten.

Aber selbst
wenn es passieren würde, müßte das nicht notwendigerweise
gegen die Hauptsätze verstoßen, weil das System nicht
abgeschlossen ist.

das würde ich gerne noch mal vom fragesteller genau wissen, da er
„gut isoliert“ schrieb und damit vielleicht auf eine ideale isolierung hinaus will. so hatte ich es zumindest verstanden.

Entschuldigung, aber ich hab kein Physik studiert, der
Unterschied zwischen geschlossenem und abgeschlossenem System
ist mir (noch) nicht bekannt.
Zur Frage nach dem Isolationsgrad: Im Prinzip habe ich gegen
eine ideale Isolation nichts einzuwenden, außer der Tatsache,
das es praktisch einfach nicht machbar ist. Der Versuchsaufbau
sollte halt so gut wie möglich - bei vertretbarem Aufwand -
isoliert sein.
Und da war ein kleiner Schreibfehler un Re^4: Ich meinte da die
Thermodynamische Eigenbewegung der Wassermoleküle bei +20°C in
relativ salzfreiem Wasser (z.B. unser Leitungswasser)

Anmerkung zum Gummiball: bei einem kleinen Loch im Vollgummiball
wird wohl nicht all zu viel passieren, bei dem Beispiel wurde
von einem Flummi (gibt’s den Begriff noch?) gesprochen.

Angriff auf die Entropie:
ob sich vor 50 Jahren jemand zu träumen gewagt hat, eine
gigantische Menge Photonen Phasenstar zu synchronisieren? Seit
dem Laser ist das ja kein Problem mehr.

und nochmal zum Wasser
der Temperaturgradient - wenn er denn entsteht - kann nicht ins
unermessliche wachsen, z.B. weil eine Grenztemperatur das „+4°C“
Dichtemaximum ist und weil - eher trivial - das Medium selbst
keine guten thermischen isolationseigenschaften hat. (Die
Spannung an einer Solarzelle steigt ja auch nicht deswegen immer
weiter an, nur weil extern kein strom fließt)

Wenn ich meinen Kubikmeter Wasser im Orbit in einer „Zentrifuge“
betreiben würde, und das sortieren der unterschiedlich warmen
Wasserteilchen im Fliehkraftfeld beteiben würde und dann auch
noch Energie aus dem System entnehmen würde, so ginge das u.a.
zu Lasten der Rotationsenergie. Aber wenn ich ein
Gravitationsfeld dazu mißbrauche? Das Gravitationsfeld würde
doch bei dieser Katalysatorfunktion nicht in mitleidenschaft
gezogen

gell, ich bin hartnäckig

Egon Eprom

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Entschuldigung, aber ich hab kein Physik studiert, der
Unterschied zwischen geschlossenem und abgeschlossenem System
ist mir (noch) nicht bekannt.

bin auch nur ein lumpiger maschinenbauinschenör

es gibt 3 verschiedene systeme. offene, geschlossene und abgeschlossene.
offen ist, wenn materie und energie ausgetauscht wird. also ein topf mit kochendem wasser.
bei einem geschlossenen system wird nur energie ausgetauscht. ein schnellkochtopf.
ein abgeschlossenes system ist völlig isoliert. keine energie und keine materie wird ausgetauscht. in realität gibt es sowas wohl nicht wirklich. verluste hat man ja immer, wie du selbst sagst. als einfaches bsp. käme wohl eine thermoskanne dem ganzen am nächsten(wobei auch sie eigentlich nur geschlossen ist).

Zur Frage nach dem Isolationsgrad: Im Prinzip habe ich gegen
eine ideale Isolation nichts einzuwenden, außer der Tatsache,
das es praktisch einfach nicht machbar ist. Der Versuchsaufbau
sollte halt so gut wie möglich - bei vertretbarem Aufwand -
isoliert sein.

also geht es dir dann doch nur um ein geschlossenes system.

Und da war ein kleiner Schreibfehler un Re^4: Ich meinte da
die
Thermodynamische Eigenbewegung der Wassermoleküle bei +20°C in
relativ salzfreiem Wasser (z.B. unser Leitungswasser)

ok…ein guter punkt, bei dem ich wieder was gelernt hab.

Anmerkung zum Gummiball: bei einem kleinen Loch im
Vollgummiball
wird wohl nicht all zu viel passieren, bei dem Beispiel wurde
von einem Flummi (gibt’s den Begriff noch?) gesprochen.

ich meinte auch keinen gummiBALL, sondern es gibt gummis, die im unkaputten zustand mit einer wahrscheinlichkeit von 100% ihren dienst tun und macht man ein loch mit einer nadel rein, tun sie ihren dienst zu 100% nicht mehr.
das war nur eine prise trockener humor zum thema gummi und statistik…:-/

Angriff auf die Entropie:
ob sich vor 50 Jahren jemand zu träumen gewagt hat, eine
gigantische Menge Photonen Phasenstar zu synchronisieren? Seit
dem Laser ist das ja kein Problem mehr.

und nochmal zum Wasser
der Temperaturgradient - wenn er denn entsteht - kann nicht
ins
unermessliche wachsen, z.B. weil eine Grenztemperatur das
„+4°C“
Dichtemaximum ist und weil - eher trivial - das Medium selbst
keine guten thermischen isolationseigenschaften hat. (Die
Spannung an einer Solarzelle steigt ja auch nicht deswegen
immer
weiter an, nur weil extern kein strom fließt)

sondern weil E=U/d u.a. dafür sorgt…so verhindert bei wärmeübertragung z.b. der 2. hauptsatz ein wärmeübertragung in die falsche richtung. allerdings ist das ja nicht das eigentliche thema, um das es dir geht - deshalb sollte man an dieser stelle vielleicht diesen punkt erstmal belassen:smile:

Wenn ich meinen Kubikmeter Wasser im Orbit in einer
„Zentrifuge“
betreiben würde, und das sortieren der unterschiedlich warmen
Wasserteilchen im Fliehkraftfeld beteiben würde und dann auch
noch Energie aus dem System entnehmen würde, so ginge das u.a.
zu Lasten der Rotationsenergie.

wie ist dein genauer gedankengang?

Aber wenn ich ein
Gravitationsfeld dazu mißbrauche? Das Gravitationsfeld würde
doch bei dieser Katalysatorfunktion nicht in mitleidenschaft
gezogen

gell, ich bin hartnäckig

ehm…willst du darauf hinaus, ob eine dichterhöhung auswirkungen auf ein gravitationsfeld hat?

also wenn du den 20 grad warmen kubikmeter auf der erde in einer 10 grad kalten region hast, kühlt er sich von außen nach innen ab. dabei wird sich das innere nach oben bewegen, weil es wärmer ist.
das wird eine zeitlang so weitergehn, bis sich das wasser den 10 grad angeglichen hat. mit 4 grad hat das dann aber nichts mehr zu tun.

im orbit in der zentrifuge dürfte das gleiche passieren.

ich geh jetz ins bett…*gääähn*

MOD: Vollzitat gekürzt.

Zum Politiker hab ich kein Talent - meine Ideen kann ich einfach nicht verständlich rüberbringen. Den Vorspann hab ich einfach mal weggelassen
und fange noch mal von vorne an.
Erst mal Danke für die Aufklärung. Es handelt sich bei meinem Experimnent langfristig um ein geschlossenes System. Kurzfristig
(in der „Initialisierungphase“) darf es auch ohne weiteres abgeschlossen sein.
Zu meinem Ansinnen: Die Entropie austricksen!
Meine Idee: Teilchen in einem Medium, dessen Diche temperaturabhängig sind per Gravitationsfeld der Temperatur nach sortieren.
Dazu sollten die Teilchen beweglich sein ( -> flüssig ) und eine gewisse Eigenenergie (Thermodynamische Bewegung bie +20°C) haben.
Wenn ich die Entropie richtig verstanden habe, hat sie eine Allergie gegen Ordnung. Und wenn „alle“ Teilchen „gleich schnell“ sind, ist das doch auch eine Art von Ordnung, oder? Ich gehe einfach mal davon aus, das ein gewisses „Temperaturrauschen“ im Medium entsteht. Diese Temperaturrauschen stelle ich mir als „Potentialschwankungen“ vor, auf welche das (Gravitations-) Kraftfeld eine ähnliche Wirkung hat wie ein elektrisches Feld auf elektrisch nicht ganz neutrale Teilchen. Doch sind im elektischen System die Kräfte ungleich größer (vermute ich)
(Ich bin auch nur Elektroingenör, zum Physikstudium hat’s leider nicht mehr gereicht)
War denn mein Beispiel mit dem Laser so schlecht? Dort werden doch auch die Photonen mit mikroskopischen ( atomaren ) Werkzeugen dazu gebracht, daß sie sich sehr geordnet benehmen.

Da hab ich mich in was verrannt! Wer kann mir aus diesem Gedanken-Labyrint wieder raushelfen?

Hallo,

wenn das system geschlossen wäre, gäbe es ein gefälle, nämlich
von innen nach außen(bzw. umgekehrt) -

Warum? Abgeschlossen ist abgeschlossen. Da sollte dann weder Schwerkraft noch Außentemperatur noch sonstwas hineinwirken können.
Oder gibt es eine neue Definition von ‚abgeschlossen‘?
Gruß
loderunner