Entropiebilanz

Die Entropiebilanz ist eine Bilanzgleichung der Thermodynamik. Sie betrachtet die über die Systemgrenze eines thermodynamischen Systems zu- oder abgeführte Entropie und die innerhalb des Systems produzierte Entropie.^[1]

Bilanzgleichung

In der Thermodynamik wird die Entropie als Zustandsgröße aufgefasst und kann daher, wie beispielsweise auch die Masse und die Energie in einem System, bilanziert werden. Setzt man die Entropie in die allgemeine Bilanzgleichung ein, erhält man den Term

$ dS=\sum _{i}dS_{i}^{SG}+dS^{Q} $.^[1]

Dabei ist

$ S $ die Entropie

$ dS^{SG} $ ein Entropiestrom über die Systemgrenze

$ \textstyle \sum _{i}dS_{i}^{SG} $ die Summe aller Entropieströme über die Systemgrenze

$ dS^{Q} $ die Änderung der Entropie innerhalb des Systems.

Entropie kann in Form von Wärme oder gemeinsam mit dem System zu- oder abgeführter Materie in den Bilanzraum eintreten oder austreten. Für die Summe aller Entropieströme über die Systemgrenze gilt also:

$ \sum _{i}dS_{i}^{SG}=dS_{Q}+dS_{M} $.

Dabei ist

$ dS_{Q} $ die Entropieänderung durch Wärme

$ dS_{M} $ die Entropieänderung durch Materietransport.

Setzt man diesen Term in die oberste Gleichung ein und präzisiert man den Quellterm, indem man $ dS^{Q} $ durch $ S_{irr} $ ersetzt, erhält man die Entropiebilanz in der Form

$ dS=dS_{Q}+dS_{M}+dS_{irr} $.^[1]

Diese Gleichung lautet für kontinuierliche Prozesse

$ {\frac {dS}{d\tau }}={\dot {S}}_{Q}+{\dot {S}}_{M}+{\dot {S}}_{irr} $.^[1]

Dabei ist $ \tau $ die Zeit.

Gemäß Vorzeichenkonvention ist erzeugte oder zugeführte Entropie positiv, abgeführte Entropie dagegen negativ. Sowohl über die Energieform Wärme als auch durch Materietransport kann die Entropie wahlweise erhöht oder verringert werden. $ {\dot {S}}_{Q} $ und $ {\dot {S}}_{M} $ können folglich positiv oder negativ sein. Der Quellterm $ {\dot {S}}_{irr} $ dagegen bezeichnet die durch irreversible Prozesse (z. B. Dissipation) im System hergestellte Entropie. Gemäß dem Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik kann in einem geschlossenen System keine Entropie vernichtet werden. Es gilt daher $ {\dot {S}}_{irr}\geq 0 $.^[1]

Für $ {\dot {S}}_{irr}=0 $ liegt ein reversibler Prozess vor, für $ {\dot {S}}_{irr}>0 $ ein irreversibler Prozess.^[1]

Entropiebilanz der Biosphäre

Man verwendet die Entropiebilanzgleichung zur Beschreibung thermodynamischer Nicht-Gleichgewichtsprozesse, beispielsweise im Rahmen der irreversiblen Thermodynamik und für Lebewesen. Auch diese können ihre Entropie nur durch Entropieexport in ihre Umwelt senken.

Ein für Menschen wichtiges System, das Lebewesen enthält, ist die Biosphäre. Ihre Entropiebilanz wird durch die innerhalb der Biosphäre erzeugte Entropie und die Fähigkeiten ihrer Schnittstellen, Entropie in den Weltraum zu exportieren, bestimmt. Sie ist im Wesentlichen als Import von kurzwelliger Sonnenenergie darstellbar, die zum allergrößten Teil wieder langwellig in den Weltraum zurückgestrahlt wird. Wenn die in der Biosphäre erzeugte Entropie größer wird, als durch sich verändernde^{[Anm. 1]} Schnittstellen exportiert werden kann, dann steigt die Entropie in der Biosphäre.

Auch wenn das betrachtete System intelligente Lebewesen enthält, kann seine Entropie nicht durch Maßnahmen und Innovationen von im System enthaltenen intelligenten Wesen, sondern nur durch Export gesenkt werden.^[2]

Anmerkungen

Literatur

• Axel Kleidon, Ralph D. Lorenz: Non-Equilibrium Thermodynamics and the Production of Entropy. Springer Verlag, Heidelberg 2004, ISBN 3-540-22495-5.
• W. Schneider, S. Haas: Repetitorium Thermodynamik. 1996, ISBN 3-486-23844-2, Kapitel 8.8: Entropiebilanz und zweiter Hauptsatz

Einzelnachweise

en:Entropy#Entropy balance equation for open systems