Entropie der Umgebung berechnen, Gesamtbilanzen aufstellen und den Wert von Energie beurteilen — zehn Übungen zur Energieentwertung.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen von AFB I bis AFB III — jede gibt dir sofort Rückmeldung, bei Schwierigkeiten helfen zwei gestufte Tipps.
A1
Stimmt's? — Umgebung
AFB I
Nennen Sie jeweils, ob die Aussage zutrifft.
Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Der 2. Hauptsatz betrifft immer System und Umgebung zusammen.
Ansatz: Wohin geht die Reaktionswärme?
Weiter: Energieerhaltung und Entropiezunahme widersprechen sich nicht.
A2
Vorzeichen von ΔS der Umgebung
AFB I
Ordnen Sie die Vorgänge nach dem Vorzeichen der Entropieänderung der Umgebung ein.
Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1ΔSU > 0
2ΔSU < 0
ΔSU = −ΔH/T: exotherme Vorgänge geben Wärme an die Umgebung ab und erhöhen deren Entropie, endotherme entziehen ihr Wärme. Kondensieren ist exotherm — die Umgebung (Fensterscheibe) wird erwärmt.
Ansatz: Exotherm oder endotherm?
Weiter: Beim Verdunsten wird der Haut Wärme entzogen.
A3
Formeln und ihre Bedeutung
AFB I
Ordnen Sie jedem Ausdruck seine Bedeutung zu.
Klicke links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Alle Ausdrücke verwenden die absolute Temperatur in Kelvin.
Ansatz: Wo steht ΔrH? Dann geht es um die Umgebung.
Weiter: T₀ ist die Umgebungstemperatur.
A4
Erdgas im Heizkessel
AFB II
Für die Verbrennung von Methan zu \(\ce{CO2}\) und flüssigem Wasser gilt \(\Delta_r H^\circ = -890{,}3\,\text{kJ/mol}\). Berechnen Sie die Entropieänderung der Umgebung bei 25 °C.
Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
\(\Delta S_U = -\frac{\Delta_r H}{T}\) \(= \frac{890\,300\,\text{J/mol}}{298\,\text{K}}\) \(= +2987{,}6\,\text{J/(mol}\cdot\text{K)}\). Typische Fehler: 25 statt 298 K einsetzen oder kJ nicht in J umrechnen.
Ansatz: Kelvin! 25 °C = 298 K.
Weiter: kJ in J umrechnen, Vorzeichen umkehren.
A5
Rosten von Eisen — die Bilanz
AFB II
Für \(\ce{4 Fe(s) + 3 O2(g) -> 2 Fe2O3(s)}\): \(\Delta_f H^\circ(\ce{Fe2O3}) = -824{,}2\,\text{kJ/mol}\); \(S^\circ\) in J/(mol·K): Fe 27,3; O₂ 205,2; Fe₂O₃ 87,4. Ermitteln Sie die Entropiebilanz bei 298 K.
Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
Ansatz: Erst ΔrS aus den S°-Werten, dann ΔrH für die Umgebung.
Weiter: ΔfH° von Fe und O₂ ist null.
A6
Lückentext: Kraftwerk
AFB II
Erläutern Sie mit den Fachbegriffen die Energiebilanz eines Kohlekraftwerks.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Im Kessel wird Energie der Kohle in Wärme des Dampfes umgewandelt. Die Turbine wandelt nur einen Teil davon in Arbeit um; der Rest gelangt als bei etwa 30 °C in Fluss und Kühlturm. Dort erhöht er die der Umgebung. Insgesamt bleibt die Energie , sie wird aber : Wärme bei Umgebungstemperatur lässt sich nicht mehr nutzen.
„vernichtet“ passt nicht: Nach dem 1. Hauptsatz kann Energie weder erzeugt noch vernichtet werden.
Ansatz: Welche Energieform steckt in der Kohle?
Weiter: Energie geht nicht verloren — was dann?
A7
Rangliste der Arbeitsfähigkeit
AFB II
Vergleichen Sie die Energieportionen gleicher Größe und ordnen Sie sie nach abnehmender Arbeitsfähigkeit.
Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Elektrische Energie im Akku
2Wärme von Dampf bei 550 °C
3Heizwasser bei 70 °C
4Abwärme im Kühlturm bei 30 °C
5Raumluft bei 20 °C (= Umgebung)
Elektrische Energie ist vollständig in Arbeit umwandelbar. Bei Wärme gilt höchstens 1 − T₀/T: 550 °C → 64 %, 70 °C → 15 %, 30 °C → 3 %, bei Umgebungstemperatur 0 %.
Ansatz: Je näher die Temperatur an der Umgebungstemperatur liegt, desto wertloser.
Weiter: Elektrische Energie hat keine Carnot-Grenze.
A8
Fehlersuche im Lernzettel
AFB III
Überprüfen Sie den Lernzettel und markieren Sie die falschen Zeilen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Zeile 4 ist die typische Klausurfalle: Temperaturverhältnisse nur in Kelvin bilden.
Ansatz: Vorzeichen, Einheiten und Begriffe prüfen.
Weiter: Drei Zeilen sind falsch.
A9
Mix: Enthalpie, Entropie, Bilanz
AFB III
Entscheiden Sie mit 1.2.3 und 1.4.1 für jeden Vorgang bei 25 °C und Standardbedingungen, welche Aussagen zutreffen.
Setze alle zutreffenden Kreuze — in manchen Zeilen passen mehrere. Enter setzt und löscht.
ΔSges = ΔS − ΔH/T: Verdampfen −28,9 J/K, N₂O₄-Zerfall −16,1 J/K (beide bei 25 °C nicht freiwillig, obwohl ΔS > 0), HCl-Bildung +639,5 J/K, Ethanolverbrennung +4447,9 J/K.
Ansatz: Rechnen Sie ΔH/T in J/K aus und vergleichen Sie mit ΔS.
Weiter: Ein positives ΔS allein reicht nicht.
A10
Trickaufgabe: Der Kühlschrank
AFB III
Ein Kühlschrank entzieht dem 5 °C kalten Innenraum Wärme und gibt sie an die 22 °C warme Küche ab. Beurteilen Sie, welche Aussagen zutreffen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Die Falle: Wärme fließt hier nicht „von selbst“ von kalt nach warm. Die elektrische Arbeit wird zusätzlich als Wärme an die Küche abgegeben (Qwarm = Qkalt + W); dadurch wird ΔSges > 0. Bei offener Tür heizt der Kühlschrank die Küche sogar um W auf.
Ansatz: Woher kommt die Energie für den Kompressor, und wohin geht sie?
Weiter: Vergleichen Sie Q/T für Innenraum und Küche.
