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03.01.10 · 19:40 Uhr

Fundamentales: Entropie

Kategorie: Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 7

Entropie ist ein Begriff aus der Thermodynamik, bzw. der statistischen Physik, eines Bereiches der Physik der sich vor allem damit befasst, das Verhalten im Großen von Sammlungen sehr vieler Teile (z.B. Gasmoleküle) zu verstehen. Gerade der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt dass in einem geschlossenen System die Entropie im zeitlichen Mittel zunimmt, wird oft sehr stark überinterpretiert. Entropie ist ein verschieden definierbarer Begriff, aber ich denke wenn man ihn nur einfach statistisch ansieht, wird klar dass es keine Hexerei ist.

Entropie ist eine Größe, um den Zustand eines Systems zu beschreiben. Sagen wir, wir haben einen Haufen Bausteine, 14 rote und 14 blaue. Seht auf die folgende Anordnung:

Das was ihr jetzt zuerst wahrnehmt, nennt man den Makrozustand, in diesem Fall ein Muster bei dem abwechselnd rote und blaue Steine gesetzt werden. Außerdem interessant ist aber der Mikrozustand, das ist ein möglicher Weg, die Steine zu solch einem Muster zusammenzusetzen. Da alle blauen und alle roten Steine jeweils gleich sind, sieht man es dem Makrozustand nicht an, wie die blauen Steine angeordnet sind, aber es gibt eine Menge Wege, wie man den Makrozustand erreichen kann!
Dennoch gibt es eine ziemlich strenge Regel, nämlich dass die Steine alle parallel ausgerichtet sein müssen, und zusammengeschoben sind, und sich immer abwechseln müssen. Irgendwie stellt man sich doch ein Schachbrett vor, auf dem man die Bausteine angeordnet hat, oder? Jetzt stellt euch aber vor, ihr werft die Bausteine einfach mit Schwung in einen Raum. Wie wahrscheinlich ist es, dass sie gerade so landen werden? Zwar gibt es mehrere mögliche Mikrozustände (Vertauschungen von blauen oder roten Steinen untereinander), den obigen Makrozustand (das Muster insgesamt) zu erreichen. Im Angesicht der Aufgabe, dies durch Werfen in einen Raum zu erreichen, muss man aber sagen dass es wahrscheinlich nicht so aussehen wird, sondern wohl eher so:

Es gibt einfach furchtbar viele Möglichkeiten, wie die Steine landen könnten, und so ist die Anzahl an Mikrozuständen, die genau das Muster ergeben, sehr klein im Vergleich zur Gesamtanzahl.
Etwas Vorsicht mit dem obigen Bild! Ich meine nicht, dass man durch Werfen genau diese ungeordnete Anordnung erreichen möchte. Das Bild steht nur für irgendeine Form der "Unordnung". Die Aussage ist: Es gibt viel mehr Möglichkeiten, eine Unordnung zu erhalten, als eine Ordnung. Das Verhältnis von Mikrozuständen, die unseren gewünschtes Muster ergeben im Vergleich zu den insgesamt möglichen Mikrozuständen, ist die Entropie eines Zustandes. Das Muster hat also eine geringe Entropie, denn nur wenige Möglichkeiten bleiben, dass man durch Hinwerfen der Bausteine dieses Muster erzielt. Ein ungeordneter Zustand mit wild verteilten Steinen hat eine hohe Entropie, da man meistens in einer ungeordneten Verteilung landen wird.

Und jetzt wird auch klar, wieso Entropie immer zunehmen muss: Wenn ich eine Kaffeetasse auf den Boden werfe, sodass sie zerbricht, ist es sehr unwahrscheinlich dass die Scherben noch wie eine Kaffeetasse angeordnet sein werden. Es gibt eben viele Wege, einen Haufen Scherben hinzulegen, aber nur einer davon sieht aus wie eine Kaffeetasse.

"Fundamentales" versucht in kurzen Beiträgen, einen wichtigen Begriff aus der Physik in wesentlichen Zügen zu erklären.
Mehr Fundamentales findet ihr hier.

 

Autor: Jörg· 7 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: entropie· fundamentales· makrozustände· mikrozustände· statistik· statistische physik· thermodynamik