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Entropie, oder das Maß an Zunahme von Unordnung in Systemen

Der etwas ungelenk wirkende Begriff der Entropie wurde 1854 von Clausius in die Physik eingeführt. Grundlage seiner Erkenntnisse war das nach ihm benannte, 1850 formulierte Clausiussche Prinzip: "Wärme kann nie von selbst von niederer zu höherer Temperatur übergehen".

Obwohl das selbstverständlich einleuchtend und sogar trivial erscheint, ist das Gegenteil der Fall.

Es zeigt nämlich, dass physikalische Vorgänge stets nur in eine Richtung, und niemals umgekehrt verlaufen, und damit auch nicht von selbst initiiert werden können.

Allen Anscheins gibt es ein Naturgesetz, welches den uns bekannten Zeitpfeil initiiert, also festlegt, in welche Richtung ein Vorgang abzulaufen hat.

Der Zeitpfeil deutet darauf hin, dass (möglicherweise) alle in der Natur sich abspielenden Vorgänge irreversibel (unumkehrbar) sind.

Obwohl Prozesse, rein theoretisch, zwar rückgängig gemacht werden könnten, kann dies jedoch nicht ohne Änderungen der umgebenden Natur stattfinden. Dieses Prinzip wird auch als der Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet.

Der Makrozustand eines im Gleichgewicht befindlichen Systems wird durch eine charakteristische Größe S beschrieben, der man den Namen Entropie gegeben hat. Wenn ΔS ≥ 0 ist, bedeutet dies, dass Systeme in einem beliebigen Prozess von einem Makrozustand in andere übergehen, und somit die zeitliche Richtung der Prozessabfolgen beschreiben.

Jedes isolierte System strebt den Zustand höchster Zufälligkeit bzw. einen maximal symmetrischen Grad von Unordnung an, was zugleich den Gleichgewichtszustand eines Systems charakterisiert.

Abnehmen kann die Entropie eines Systems demnach nur, wenn es mit einem oder mehreren anderen Systemen durch Prozesse wechselwirken kann, durch die ein gleicher Entropiebetrag auf diese Systeme übertragen wird, damit die Entropieabnahme des einen Systems, durch die Entropiezunahme des anderen kompensiert wird.

Im Innern des Systems kann Entropie also stets nur erzeugt, nicht aber vernichtet werden.

Ist ein System in sich abgeschlossen (wenn mit seiner Umgebung weder Arbeit noch Wärme noch Masse austauscht wird) und im Gleichgewicht, so ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten aller möglichen Zustände gleich groß. Ist das nicht der Fall, so ändert sich der Zustand mit der Zeit, bis der Gleichgewichtszustand erreicht wird.

In der Statistischen Thermodynamik wird die Entropie schlicht als ein quantitatives Maß für den Grad der Unordnung bzw. Zufälligkeit eines Systems angesehen.

Die innere Energie eines Systems, also die Summe aller Energieformen aus elektrischer, magnetischer, chemischer und anderen Energien ist eine Erhaltungsgröße, da es keine Maschine gibt, die Energie aus dem "Nichts" erzeugen kann.

Von aussen zugeführte Energie (auch freie Energie genannt) nimmt beim Übergang in den Gleichgewichtszustand innerhalb eines abgeschlossenen Systems demnach beständig ab!

Da die verfügbare Energie des Universums konstant ist, ihre Entropie hingegen einem Maximum zustrebt, führt dazu, dass sämtliche Wärmemengen irgendwann die gleiche Temperatur annehmen und dann zu einer Arbeitsleistung nicht mehr verwendet werden können. Oft spricht man dabei auch von dem „aufkommenden“ Wärmetod.

Wenn man unsere Galaxis (in Näherung) als abgeschlossenes System betrachtet (denn es liegen ja unvorstellbare Weiten zwischen zwei Galaxien, auch wenn deren Massen noch so groß sein mögen, an einen Austausch von Wärme und Arbeit zwischen den beiden, geschweige denn von Masse, irgendwann nicht mehr zu denken ist: zu klein sind dann die gegenseitigen Anziehungskräfte) liegt es nahe davon auszugehen, dass am Ende der Zeit diese nur noch als ungeordnete Materie existieren wird, bis die Gravitation infolge des Wärmetodes, d.h. wenn weiße Zwerge und Neutronensterne sich hinreichend abgekühlt haben, aufgehoben wird.

Da ein absoluter Temperaturnullpunkt nicht möglich ist, führt die verbleibende kinetische Energie dazu, dass sich das gesamte Weltall unendlich langsam gleichmäßig homogen mit „kalter“ Materie auffüllen wird.

Alltäglich kann man Entropie also auch damit beschreiben, dass alle Strukturen mehr oder weniger schnell ihre Ordnung einbüßen (also chaotischer werden), wenn man nicht ständig darum bemüht ist für die Wiederherstellung von Ordnung zu sorgen.

Das bedeutet, dass Ordnung in einem System anwachsen kann, vorausgesetzt, die Menge der Unordnung in seiner Umgebung nimmt um einen größeren Betrag zu.

Welche Wirkung Entropie auf Ihr Privatleben hat, lässt sich beispielweise sehr gut damit demonstrieren, wenn Sie Ihr Haus oder Wohnung mal einen Monat sich selbst überlassen ohne dort zu putzen. Das Putzen erfordert also einen Energieaufwand, um wieder für „geordnete“ Strukturen zu sorgen.

Können Sie sich nun vorstellen was Entropie bedeutet?

Quellen: Internet diverses (u.a. Manfred Hiebl - www.manfredhiebl.de - wobei sich der Link lediglich auf die Physik bezieht );

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