Physik

Thermodynamik - Entropie und Hitzetod

Entropie und Wärmetod

Das Beispiel einer Wärmekraftmaschine zeigt eine der vielen Möglichkeiten, wie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik angewendet werden kann. Eine Möglichkeit, das Beispiel zu verallgemeinern, besteht darin, die Wärmekraftmaschine und ihren Wärmespeicher als Teile eines isolierten (oder geschlossenen) Systems zu betrachten, dh eines Systems, das keine Wärme austauscht oder mit seiner Umgebung arbeitet. Zum Beispiel könnten die Wärmekraftmaschine und der Vorratsbehälter in einem starren Behälter mit isolierenden Wänden eingeschlossen sein. In diesem Fall besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (in der hier dargestellten vereinfachten Form), dass unabhängig davon, welcher Prozess im Behälter stattfindet, seine Entropie an der Grenze eines reversiblen Prozesses zunehmen oder gleich bleiben muss . Wenn das Universum ein isoliertes System ist, muss auch seine Entropie mit der Zeit zunehmen. In der Tat, dieDie Folge ist, dass das Universum letztendlich einen „Hitzetod“ erleiden muss, da seine Entropie zunehmend auf einen Maximalwert ansteigt und alle Teile bei einer gleichmäßigen Temperatur in ein thermisches Gleichgewicht geraten . Nach diesem Zeitpunkt wären keine weiteren Änderungen mehr möglich, bei denen Wärme in Nutzarbeit umgewandelt wird. Im Allgemeinen ist der Gleichgewichtszustand für ein isoliertes System genau der Zustand maximaler Entropie. (Dies entspricht einer alternativen Definition für den Begriff Entropie als Maß für die Störung eines Systems, sodass eine vollständig zufällige Streuung von Elementen maximaler Entropie oder minimaler Information entspricht. Siehe Informationstheorie: Entropie .)

Entropie und die Pfeil der Zeit

Die unvermeidliche Zunahme der Entropie mit der Zeit für isolierte Systeme liefert einen "Zeitpfeil" für diese Systeme. Der Alltag bereitet keine Schwierigkeiten, den Vorwärtsfluss der Zeit von seinem Rückwärts zu unterscheiden. Wenn zum Beispiel ein Film ein Glas warmes Wasser zeigte, das sich spontan in heißes Wasser verwandelte, auf dem Eis schwamm, war sofort ersichtlich, dass der Film rückwärts lief, da der Wärmefluss von warmem Wasser zu heißem Wasser den zweiten verletzen würde Gesetz der Thermodynamik. Diese offensichtliche Asymmetrie zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsrichtung für den Zeitfluss bleibt jedoch auf der Ebene grundlegender Wechselwirkungen nicht bestehen. Ein Beobachter, der einen Film sieht, der zwei Wassermoleküle zeigt Kollisionen würden nicht erkennen können, ob der Film vorwärts oder rückwärts lief.

Was genau ist der Zusammenhang zwischen Entropie und dem zweiten Gesetz? Es sei daran erinnert , daß Wärme auf der molekularen Ebene ist die zufällige kinetische Energie der Bewegungvon Molekülen und Kollisionen zwischen Molekülen liefern den mikroskopischen Mechanismus für den Transport von Wärmeenergie von einem Ort zum anderen. Da einzelne Kollisionen durch Umkehren der Zeitrichtung unverändert bleiben, kann die Wärme in die eine und die andere Richtung genauso gut fließen. Unter dem Gesichtspunkt grundlegender Wechselwirkungen gibt es also nichts, was ein zufälliges Ereignis verhindern könnte, bei dem sich eine Reihe sich langsam bewegender (kalter) Moleküle an einem Ort sammeln und Eis bilden, während das umgebende Wasser heißer wird. Es ist zu erwarten, dass solche zufälligen Ereignisse von Zeit zu Zeit in einem Gefäß auftreten, das nur wenige Wassermoleküle enthält. Die gleichen zufälligen Ereignisse werden jedoch niemals in einem vollen Glas Wasser beobachtet, nicht weil sie unmöglich sind, sondern weil sie äußerst unwahrscheinlich sind.24 ), was es höchst unwahrscheinlich macht, dass sich im Verlauf ihrer zufälligen thermischen Bewegung ein erheblicher Teil der kalten Moleküle an einem Ort sammelt. Obwohl eine solche spontane Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik nicht unmöglich ist, müsste ein äußerst geduldiger Physiker ein Vielfaches des Alters des Universums warten, um dies zu sehen.

Das Vorstehende zeigt einen wichtigen Punkt: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist statistischer Natur. Auf der Ebene einzelner Moleküle hat es keine Bedeutung, während das Gesetz für die Beschreibung einer großen Anzahl wechselwirkender Moleküle im Wesentlichen genau wird. Im Gegensatz dazu bleibt der erste Hauptsatz der Thermodynamik , der die Energieerhaltung zum Ausdruck bringt, auch auf molekularer Ebene genau richtig.

Das Beispiel des Eisschmelzens in einem Glas heißem Wasser zeigt auch den anderen Sinn des Begriffs Entropie als Zunahme der Zufälligkeit und paralleler Informationsverlust. Zunächst die gesamte Wärmeenergieist so aufgeteilt, dass sich alle sich langsam bewegenden (kalten) Moleküle im Eis und alle sich schnell bewegenden (heißen) Moleküle im Wasser (oder Wasserdampf) befinden. Nachdem das Eis geschmolzen ist und das System ein thermisches Gleichgewicht erreicht hat, wird die Wärmeenergie gleichmäßig im System verteilt. Der statistische Ansatz liefert viele wertvolle Einblicke in die Bedeutung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, aber aus Sicht der Anwendungen wird die mikroskopische Struktur der Materie irrelevant. Die große Schönheit und Stärke der klassischen Thermodynamik besteht darin, dass ihre Vorhersagen völlig unabhängig von der mikroskopischen Struktur der Materie sind.