Entropie und und der zweite Hauptsatz

Entropie

Entropie kann nicht vernichtet werden

Lässt man den Gegenstand, den man vorher erwärmt hat, eine Weile stehen (ohne weiter zu heizen), so fließt die Wärme (Entropie) aus ihm heraus, sie verteilt sich in der Umgebung. Dabei verdünnt sie sich so stark, dass man nicht mehr erkennt, wo sie sich genau befindet. Trotzdem ist sie irgendwo, sie ist nicht verschwunden im Sinne von "vernichtet", sondern nur verschwunden im Sinne von "versteckt" oder "verstreut".

Die Entropieerzeugung

Man kann Entropie nicht vernichten, aber man kann sie erzeugen, z. B. in einer Flamme, in einem elektrischen Widerstand oder durch "Reibung".

Um Entropie zu erzeugen, braucht man Energie. Da wir an die Erhaltung der Energie glauben, schließen wir, dass mit der Entropie, die von einem elektrischen Widerstand wegfließt, auch Energie wegfließt.

Entropie  und der zweite Hauptsatz

Taucht man einen Behälter A mit Wasser der Temperatur 70C in ein Wasserbad B der Temperatur 20C, so fließt solange Entropie von A nach B, bis die Temperaturen gleich sind. Es stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein. Die Gleichgewichtstemperatur hängt ab vom Verhältnis der Wassermengen.
Entropie strömt von selbst von Stellen höherer Temperatur zu Stellen niedriger Temperatur. Ein Temperaturunterschied ist ein Antrieb für einen Entropiestrom.

Die mittlere kinetische Energie im Behälter mit 80°C ist größer als im Wasserbad mit 15°C  

Zustände in denen die Energie gleichmäßig verteilt ist haben die höhere Entropie und sind die wahrscheinlicheren

Entropie (Wärme) fließt selbstständig nur von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niederer Temperatur. 
wichtige Regel der Physik, den "Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik": In einem "abgeschlossenen
System" nimmt die Unordnung stets zu. 

Auch ohne zu wissen, wie Entropie in Formeln definiert ist, können wir nun den 2.Hauptsatz auch so schreiben:

Im thermischen Gleichgewicht hat ein System eine möglichst große Entropie und 
Die Entropie eines abgeschlossenen Systems wird nie von alleine kleiner
Sie bleibt entweder gleich (wenn alle ablaufenden Prozesse reversibel sind) oder sie nimmt sonst zu".

Insbesondere der letzte Satz hat es in sich:

Der 2. Hauptsatz definiert irreversible Prozesse: Ein Prozess, bei dem die Entropie zunimmt kann geschehen, der Rückwärtsprozess jedoch nicht  Die Konsequenz daraus ist: Der 2. Hauptsatz definiert eine Richtung der Zeitachse: Auf der Zeitachse kann man sich nur in Richtung höherer Entropie bewegen.

Wenn die Kugeln Gasteilchen in einem geschlossenen Behälter bei einer normalen Temperatur darstellen, welche der beiden Bilder kommt zuerst


Der 2. Hauptsatz sagt den Wärmetod des Universums voraus. 

Wenn das Weltall ein abgeschlossenes System ist,  so bedeutet sein Endzustand (das thermische Gleichgewicht) den  Wärmetod: Wenn alle möglichen Prozesse abgelaufen sind, wenn alle nutzbare Energie zerstreut ist, wenn die Temperatur überall den gleichen Wert hat und maximale Unordnung erreicht ist, hat alles Geschehen (auch das Leben ) ein Ende 

Man hat diesen Zustand als den Wärmetod der Welt bezeichnet und daran pessimistische Gedankengänge über den Weltuntergang geknüpft, die aber weit über das Gebiet der Physik hinausgehen. Wir können von der Physik her nur sagen, dass es nach den Ergebnissen moderner kosmologischer Theorien zweifelhaft ist, ob der zweite Hauptsatz der Wärmelehre in der angegebenen Form überhaupt auf das Weltall anwendbar ist. In jedem Falle aber sind wir von der Erreichung des erwähnten Endzustandes noch sehr weit entfernt. 

Zusammenfassung:

Im Verlaufe der Geschichte hat die Entropie viele Gesichter angenommen. Entsprechend dem Zugang erscheint sie in unterschiedlichem Gewand. 

Wenn daher ein abgeschlossenes System den Zustand der maximalen Entropie angenommen hat, kann es sich nicht mehr ändern: Es hat den Gleichgewichtszustand erreicht. Der 2. Hauptsatz beschreibt demzufolge die Richtung der Energieumwandlung. Wenn man z. B. einen fest verschlossenen Behälter betrachtet, in dem zwei Gase eingeschlossen sind, dann werden sich diese Gase mit der Zeit gleichmäßig durchmischen,
d. h. einen Zustand größerer Unordnung und damit größerer Entropie einnehmen. Der Zustand größerer Entropie ist also der wahrscheinlichere Zustand. Die Natur scheint also Unordnung oder Chaos vorzuziehen. 
Es liegt also am Entropiesatz, wenn zwar schon viele Ziegel vom Dach gefallen sind, aber noch niemals ein Ziegel beobachtet wurde, der vom Boden zurück aufs Dach geschwebt ist. Und der Entropiesatz ist letzten Endes auch schuld daran, dass alle Versuche zur Konstruktion von "Zeitmaschinen" schon aus thermodynamischen Gründen zum Scheitern verurteilt sind.

Quellen und Links:

http://www.uni-koblenz.de/~odsleis/lehrplan-physik/handreichungentropie.pdf
Ein ganz anderer Zugang zur Entropie!
Energie und Entropie; Handreichung zum neuen Lehrplan Physik in der S II ; Rheinland Pfalz

http://www-tfp.physik.uni-karlsruhe.de/~didaktik/skripten/thermod.pdf

http://www.svsu.edu/~slaven/Entropy.html

http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_5/backbone/r5.html

http://iva.uni-ulm.de/physik/vorlesung/THERMODYNAMIK/node66.html

E-Mail: BRG Ried i. I - Physikauswahl Aktualisiert am 03.08.2003