Sie können die Zahnpasta nicht einfach wieder in die Tube geben. Sie können nicht erwarten, dass Dampfmoleküle spontan wieder zusammenwandern und einen Wasserball bilden . Wenn Sie ein paar Corgi-Welpen auf ein Feld entlassen, ist es sehr unwahrscheinlich, dass Sie sie alle wieder in eine Kiste bringen können, ohne viel Arbeit zu leisten. Dies sind die Probleme, die mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verbunden sind, der auch als Entropiegesetz bekannt ist.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik
Die Thermodynamik ist für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen wichtig, von Ingenieurwissenschaften über Naturwissenschaften bis hin zu Chemie, Physik und sogar Wirtschaftswissenschaften. Ein thermodynamisches System ist ein begrenzter Raum, der keine Energie hinein- oder herauslässt.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik hat mit der Energieeinsparung zu tun - Sie erinnern sich wahrscheinlich daran, dass die Energie in einem geschlossenen System konstant bleibt ("Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden"), es sei denn, sie wird von außen manipuliert. Die Energie ändert jedoch ständig ihre Form - ein Feuer kann chemische Energie aus einer Pflanze in thermische und elektromagnetische Energie umwandeln. Eine Batterie wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. Die Welt dreht sich und die Energie wird weniger organisiert.
"Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik heißt Entropiegesetz" , sagte Marko Popovic, Postdoktorand für Biothermodynamik an der School of Life Sciences der Technischen Universität München, in einer E-Mail. "Es ist eines der wichtigsten Gesetze in der Natur."
Die Entropie ist ein Maß für die Störung in einem geschlossenen System. Nach dem zweiten Gesetz nimmt die Entropie in einem System im Laufe der Zeit fast immer zu - Sie können arbeiten, um Ordnung in einem System zu schaffen, aber selbst die Arbeit, die in die Neuordnung gesteckt wird, erhöht die Störung als Nebenprodukt - normalerweise in Form von Wärme. Da das Maß der Entropie auf Wahrscheinlichkeiten basiert, ist es natürlich möglich, dass die Entropie in einem System gelegentlich abnimmt, aber das ist statistisch sehr unwahrscheinlich.
Die Definition von Störung
Es ist schwieriger als man denkt, ein System zu finden, das keine Energie raus- oder reinlässt - unser Universum ist ein ebenso gutes Beispiel dafür wie wir -, aber Entropie beschreibt, wie Störungen in einem System auftreten, das so groß ist wie das Universum oder so klein wie eine Thermoskanne voller Kaffee.
Entropie hat jedoch nicht mit der Art der Störung zu tun, an die Sie denken, wenn Sie ein paar Schimpansen in einer Küche einsperren. Es hat mehr damit zu tun, wie viele mögliche Permutationen von Chaos in dieser Küche gemacht werden können, als wie groß ein Chaos sein kann. Natürlich hängt die Entropie von vielen Faktoren ab: wie viele Schimpansen es gibt, wie viel Material in der Küche aufbewahrt wird und wie groß die Küche ist. Wenn Sie sich also zwei Küchen ansehen - eine sehr groß und bis in die Kiemen gefüllt, aber akribisch sauber, und eine andere, die kleiner ist und weniger Zeug enthält, aber schon von Schimpansen ziemlich verwüstet ist -, ist es verlockend zu sagen, dass der unordentlichere Raum mehr hat Entropie, aber das ist nicht unbedingt der Fall. Die Entropie befasst sich mehr damit, wie viele verschiedene Zustände möglich sindals wie ungeordnet es im Moment ist; Ein System hat daher mehr Entropie, wenn es mehr Moleküle und Atome enthält und wenn es größer ist. Und wenn es mehr Schimpansen gibt.
Entropie ist verwirrend
Entropie könnte das wahrste wissenschaftliche Konzept sein, das die wenigsten Menschen tatsächlich verstehen. Das Konzept der Entropie kann sehr verwirrend sein - auch weil es tatsächlich verschiedene Typen gibt . Der ungarische Mathematiker John von Neumann beklagte die Situation folgendermaßen: "Wer in einer Diskussion den Begriff 'Entropie' verwendet, gewinnt immer, da niemand weiß, was Entropie wirklich ist. In einer Debatte hat man also immer den Vorteil."
"Es ist ein wenig schwierig, Entropie zu definieren", sagt Popovic. "Vielleicht lässt es sich am besten als nicht negative thermodynamische Eigenschaft definieren, die einen Teil der Energie eines Systems darstellt, der nicht in nützliche Arbeit umgewandelt werden kann. Daher impliziert jede Zugabe von Energie zu einem System, dass ein Teil der Energie umgewandelt wird Entropie erhöht die Störung im System. Somit ist Entropie ein Maß für die Störung eines Systems. "
Aber fühlen Sie sich nicht schlecht, wenn Sie verwirrt sind: Die Definition kann variieren, je nachdem, welche Disziplin sie gerade ausübt:
Mitte des 19. Jahrhunderts arbeitete ein deutscher Physiker namens Rudolph Clausius , einer der Begründer des Konzepts der Thermodynamik, an einem Problem hinsichtlich der Effizienz von Dampfmaschinen und erfand das Konzept der Entropie, um nutzlose Energie zu messen, die nicht umgewandelt werden kann nützliche Arbeit. Ein paar Jahrzehnte später verwendete Ludwig Boltzmann (der andere "Gründer" der Entropie) das Konzept, um das Verhalten einer immensen Anzahl von Atomen zu erklären: Obwohl es unmöglich ist, das Verhalten jedes Teilchens in einem Glas Wasser zu beschreiben, ist es immer noch möglich, es vorherzusagen ihr kollektives Verhalten, wenn sie unter Verwendung einer Entropieformel erhitzt werden.
"In den 1960er Jahren interpretierte der amerikanische Physiker ET Jaynes Entropie als Information, die wir vermissen, um die Bewegung aller Teilchen in einem System zu spezifizieren", sagt Popovic. "Zum Beispiel besteht ein Mol Gas aus 6 x 10 23 Partikeln. Daher ist es für uns unmöglich, die Bewegung jedes Partikels zu beschreiben. Stattdessen tun wir das nächstbeste, indem wir das Gas nicht durch die Bewegung von definieren jedes Teilchen, aber durch die Eigenschaften aller Teilchen zusammen: Temperatur, Druck, Gesamtenergie. Die Informationen, die wir dabei verlieren, werden als Entropie bezeichnet. "
Und das schreckliche Konzept des "Hitzetodes des Universums" wäre ohne Entropie nicht möglich. Da unser Universum höchstwahrscheinlich als Singularität begann - ein unendlich kleiner, geordneter Energiepunkt -, der sich aufblähte und sich ständig ausdehnte, wächst die Entropie in unserem Universum ständig, weil es mehr Raum und damit mehr potenzielle Störungszustände gibt die Atome hier zu adoptieren. Wissenschaftler haben die Hypothese aufgestellt, dass das Universum, lange nachdem Sie und ich verschwunden sind, irgendwann einen Punkt maximaler Unordnung erreichen wird. An diesem Punkt wird alles die gleiche Temperatur haben, ohne dass Ordnungstaschen (wie Sterne und Schimpansen) gefunden werden können.
Und wenn es passiert, haben wir Entropie zu verdanken.
Das ist interessant
Der Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts, Sir Arthur Eddington, hielt das Konzept der Entropie für so wichtig für die Wissenschaft, dass er 1928 in Die Natur der physischen Welt schrieb : "Das Gesetz, dass die Entropie immer zunimmt, hat meines Erachtens die höchste Position unter den Naturgesetzen. ... Wenn sich herausstellt, dass Ihre Theorie gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt, kann ich Ihnen keine Hoffnung geben; es gibt nichts, was in tiefster Demütigung zusammenbrechen könnte. "
