Frage von tauchfabrik1982, 94

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik - Stimmt es, dass er besagt, dass im Universum die Unordnung stetig zunimmt?

Stimmt es, dass der zweite Hauptsatz der Thermodymanik letztendlich besagt, dass im Universum die "Unordnung" stetig zunimmt? Hört sich ziemlich "unphysikalisch" an. Es geht um eine These, welche in der Sendung "Mysterien des Weltalls" (Ewiges Leben), von einem Physiker aufgestellt wurde. Wenn ich nach diesem Grundsatz im Net suche, stoße ich auf alles Mögliche, nur nicht nach der zunehmenden "Unordnung" im Universum, welche nach diesem Grundsatz eine unumstößliche Tatsache sein soll. LG

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 59

Ach ja, der 2. HS: für klassische Physiker, Naturwissenschaftler und Techniker der unbeliebteste, für mich als Thermodynamiker der interessanteste Satz der gesamten Naturwissenschaften.

Als Anfänger ist der Begriff "Unordnung" noch brauchbar, wir werden uns aber gleich wieder von ihm verabschieden. Wenn du z.B. dein Zimmer als geschlossenes System betrachtest und darin nur lebst, nimmt die Unordnung unvermeidbar zu. Das ist das natürliche Bestreben deines Zimmers laut 2. HS. Du kannst die Wirkung des 2. HS nur dadurch aufheben, dass du von Außen Energie in das Zimmer bringst (aufräumen, was offensichtlich anstrengend ist) und Abfall aus dem Zimmer entfernst (Entropieabfuhr).

Eine zweite Aussage des 2.HS ist die, dass sich Temperaturunterschiede grundsätzlich von alleine ausgleichen. Da kannst du machen nix, da musst du gucken zu. Und da fängt es schon an, mit dem Begriff "Unordnung" schwierig zu werden. Da muss man zur Plausibilisierung schon auf die Teilchenebene gehen (Boltzmann). Das ersparen wir uns.

Weiter kommt man, wenn man den 2. HS ausschließlich energetisch betrachtet. Dazu braucht man die Begriffe Exergie und Anergie. Mit "Energie" kommen wir nicht aus, weil ja der Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik) nur die Quantität, aber nicht die Qualität von Energie beschreibt.
Der 2. HS sagt nichts zur Quantität, aber etwas zur Qualität von Energie aus. Qualtität bedeutet, wieviel der Energie in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Der Teil, der zu 100% umwandelbar ist, nennt sich Exergie und der Anteil, mit dem man nichts mehr anfangen kann, ist die Anergie. Anergie ist praktisch Energieabfall (Entropiemaximum), in der Praxis ist das Abwärme.

Der 2. HS sagt nun aus, dass die Qualität der Energie grundsätzlich immer nur abnehmen kann. Etwas anderes ist naturgesetzlich nicht möglich. Exergie kann in Anergie "entwertet" (dissipiert) werden, aber niemals kann Anergie in Exergie zurückgewandelt werden (Irreversibilität).

Auf das Universum bezogen ist es tatsächlich so, dass die Energie im Urknall zu 100% aus Exergie bestand und seit nunmehr etwas über 13 Mrd. Jahren ständig entwertet wird. Die heftigeste Energieentwertung (Disspation) fand in dem Moment statt, als sich aus Energie Materie bildete. Alleine bei diesem Vorgang wurde so viel Exergie entwertet, wie die restlichen 13 Mrd. Jahre zusammen. Die dabei erzeugte Anergie (Entropie) äußert sich als die Hintergrundstrahlung.

Seit 1977 hat der 2.HS durch die Theorie Dissiaptiver Strukturen, für die Ilya Prigogine 1977 den Nobelpreis erhielt, eine ganz neue Bedeutung bekommen und hat die größte wissenschaftliche Revolution seit Newton ausgelöst. Ohne den 2. HS gäbe es danach keine Strukturen, keine Erde, keine Zeit, kein Leben, keine Gesellschaft, kein Geist und kein Bewusstsein. Nichts im Universum kann dem 2. HS entgehen.

Die einzige Möglichkeit, den 2. HS "auszutricksen", wäre absoluter Stillstand und Gleichförmigkeit. Und genau diesem Zustand strebt das Universum laut 2.HS zu, sofern das Universum ein abgeschlossenes System ist. Spasseshalber könnte man sogar sagen, der 2. HS ist der einzige Satz, der danach strebt, sich selber zu vernichten.

Kommentar von tauchfabrik1982 ,

Wieso ist er bei den Physikern "unbeliebt"? Weil er "quasi" danach strebt sich selbst zu verbichten?

Kommentar von Hamburger02 ,

Im Prinzip ja, könnte man so sehen.

Im Gebäude der klassischen Physik sind alle Naturgesetze zeitsymetrisch. Sie lassen sich sowohl für die Vergangenheit wie auch für die Zukunft anwenden. In diesem Gebäude ist Zeit ein geometrischer Parameter, die 4. Dimension. Die Physik ist seit Decartes bzw. Newton reduktionistisch bzw. in die andere Richtung deterministisch. Das blieb sie auch noch bei Einstein und Planck. Der einzige Satz, der einfach nicht ion dieses Gebäude passen wollte, ist der 2. HS. Als einziger enthält er durch die Irreversibilitäten, die er beschreibt, einen Bruch der Zeitsymetrie. Vergangenheit ist nicht mehr gleich Zukunft. Durch die Entwertung der Energie (Entropieproduktion) gibt er einen eindeutigen Zeitpfeil vor und genau daran stören sich reduktionistische Physiker ganz gerne.
Inhaltlich ist es auch nicht ganz einfach, in zu verstehen. Im Grundstudium kommt man in den meisten naturwissenschaftlichen und technischen Fächern nicht drumrum, sich mit ihm zu beschäftigen. Und dabei macht er so manchem Studenten Knoten in die Hirnwindungen. Kein anderes physikalisches Gesetz ist so abstrakt, wie der 2. HS, außer man beschäftigt sich mit Quanten.

Als Stefan Boltzmann den 2. HS formulierte, stellte er anfangs fest, dass er naturgesetzlichen Charakter habe und dass er eindeutig im Widerspruch zum Determinismus stünde. Das haben ihm die etablierten Physiker so übel genommen, dass sie mit seiner Exkommunikation drohten. Um aus dem Physikerbetrieb nicht ausgeschlossen zu werden, hat er sich dann mit den Deterministen auf einen Formelkompromiss geeignet, der besagt, der 2. HS sei kein Naturgesetz, sondern ein Erfahrungssatz und lediglich dadurch legitimiert, dass man noch nie etwas anderes beobachtet habe.
Der sei nur dadurch berechtigt, dass man zu wenige Informationen habe, dass das Universum einfach zu grobkörnig sei. Wäre das nicht so, würde das reduktionistische/deterministische Weltbild uneingeschränkt gelten (Laplacescher Dämon).

Auf diesem Problem, also ob der Zeitpfeil, den der 2. HS fordert, nur ein Näherungsfehler oder ein reales physikalisches Phänomen ist, forschte Ilya Prigogine sein gesamtes Forscherleben. Mit oben schon erwähnter Theorie Disspativer Strukturen hat Ier den Streit entschieden. Er zeigte, dass der Determinismus nur ein Grenzfall der Physik für Systeme in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichtes, also quasi in der "Endphase des 2. HS", ist. Solche Systeme streben grundsätzlich dem Zustand der maximalen Entropie zu. Am meisten störte die Physiker dabei, dass der 2. HS als Naturgesetz die so lange gesuchte Weltformel (TOE) ausschließt. 1986 gab dann auch die internationale Physikerunion offiziell bekannt, dass der Determinismus als universelles Prinzip ein Irrtum war.

Prigogine erweiterte den 2.HS so, dass er nun auch Systeme fernab des Thermodynamischen Gleichgewichtes beschreibt, die Exergie so stark dissipieren, dass neue Ordnungsstrukturen entstehen und dadurch die Entstehung des Lebens, die Evolution oder das mesnschhliche Bewusstsein physikalisch erklärt werden können. Mehr als die neuen Naturgesetze braucht man dazu nicht.

Einige Physiker wehren sich immer noch und bleiben dem Determinismus treu. Stephen Hawking gehört dazu, obwohl ich von ihm in letzter Zeit auch hin und wieder Bezüge zum erweiterten 2.HS gehört habe. Auch Einstein hatte in seinen letzten Jahren Vermutungen geäußert, dass die Irreversibilität des 2.HS doch naturgesetzlich sein könnte.

Kommentar von DieterSchade ,

@Hamburger

Hervorragender Beitrag. Ich möchte aber noch erwähnen, dass die Allgemeingültigkeit des 2. Hauptsatzes - im Gegensatz zum 1. Hauptsatz - nicht durch das Noether-Theorem beweisbar ist. Außerdem gibt es auch heute noch Physiker die ein PM 2. Art prinzipiell für möglich halten. Hierzu der Artikel auf Wikipedia

https://de.wikipedia.org/wiki/Perpetuum\_mobile#Perpetuum\_mobile\_zweiter\_Art


Im Jahr 2000 wurden mögliche Verletzungen des zweiten Hauptsatzes in quantenmechanischen Systemen diskutiert. Allahverdyan und Nieuwenhuizen berechnen die Brownsche Bewegung eines Quantenpartikels, das stark an ein Quanten–Wärmebad gekoppelt ist,[3] und zeigten, dass bei tiefen Temperaturen Energie aus einem Wärmebad durch zyklische Variation von Parametern gewonnen werden kann und somit eine scheinbare Verletzung des 2. Hauptsatzes aufgrund von Quanten-Kohärenz-Phänomenen vorliegt. Ihre Arbeit stieß auf Kritik.[4] Nach Capek und Bok (1999)[5] ist der Maxwellsche Dämon unter bestimmten Voraussetzungen zur Selbstorganisation fähig. Dies führe zu einem expliziten Gedankenkonstrukt eines PM 2. Art.



Kommentar von Hamburger02 ,

Das ist korrekt. Die Zeitsymetrie ist gebrochen und dementsprechend ist die Entropie auch keine Erhaltungsgröße.
Speziell in der Teilchenphysik und der Neurologie gibt es noch einige Bastionen des Determinismus, die heftig verteidigt werden.

Kommentar von Hamburger02 ,

Und danke fürn Stern.

Kommentar von Karl37 ,

Mir fällt beim 2. HS der Thermodynamik sofort der Maxwellsche Dämon ein. Grässlich die Vorstellung ein PM 2. Ordnung zu bekommen.

Kommentar von Rinchen123 ,

du scheinst dich sehr sehr gut auszukennen, kannst du mir sagen was entropie mit thermodynamik zu tun hat?

Kommentar von Hamburger02 ,

Enorm viel. Entropie ist einer der zentralen Begriffe in der Thermodynamik, da sie ein Maß für die Qualität von Energie ist.

Antwort
von grtgrt, 49

Bitte lies http://greiterweb.de/zfo/Entropie.htm#msgnr0-116 .

Das Universum (als Ganzes, d.h. einschließlich seiner hinter unserem Beobachtungshorizont liegenden Teile) betrachtet man als in sich abgeschlossenes, sich selbst überlassenes System. 

Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik angewandt aufs Universum sagt: 

Jede von sich aus eintretende Abänderung des Zustandes unseres Universums führt mit fast an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit in einen Zustand, der schwieriger zu beschreiben ist als der bisher vorgelegene.

Kommentar von grtgrt ,

Wer im Zusammenhang mit dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik von Unordnung spricht, meint damit Entropie, d.h. uns fehlendes Wissen über den Mikrozustand des Systems.

Kommentar von tauchfabrik1982 ,

dieses fehlende Wissen? Hängt das mit der Heis. Unschärferelation zusammen?

Kommentar von grtgrt ,

Nein. Gemeint ist einfach nur, dass man komplizierte Dinge -- wie etwa den Zustand sämtlicher Moleküle eines Gases -- nicht wirklich genau kennen kann, da dies die Kenntnis allzu vieler Details erfordern würde.

Entropie ist immer relativ, denn unterschiedliche Personen können den Zustand eines Systems unterschiedlich genau kennen, im Falle eines Gases oder im Falle des Universums aber natürlich nie in all seinen Einzelheiten.

Antwort
von Ottavio, 18

Ich bin nur Mathematiker, kein Physiker. Ich habe im Kopf, das der 2,HS letztlich identisch ist Mit dem Gesetz der Großen Zahl in der Stochastk. Es Besagt: Je öfter ich ein Zufallsexperiment wiederhole, desto mehr nähert sich die relative Häufigkeit eines Ergebnisses seiner Wahrscheinlichkeit. Ich werde noch einmal darüber nachdenken.

Kommentar von Hamburger02 ,

Das hast du richtig in Erinnerung.

Die statistische Physik ist ein recht moderner Zweig der theoretischen Physik, der entscheidend von Ludwig Boltzmann (1844-1906) Ende des 19. Jahrhunderts initiiert wurde. Eine
wichtige Vorstellung bei der Entwicklung der statistischen Physik war die Hypothese von der Existenz kleinster Teilchen (Atome oder Moleküle), aus denen sich die Materie in
großer Zahl zusammensetzt. Das Gesetz der Großen Zahl liest man hin und wieder auch als Boltzmannsches Prinzip, denn auf dieser Prämisse basierende leitete Boltzmann den 2. HS statistisch her und die dabei auftretende Konstante heißt deswegen auch Boltzmannkonstante.

Antwort
von Ahzmandius, 55

Du solltest lieber nach dem Begriff Entropie suchen.

Für den Begriff der Entropie wird gerne der Begriff der Unordnung als Analogie verwendet(ist in viellerlei Hinsicht jedoch eher verwirrend)

Kommentar von tauchfabrik1982 ,

dann wäre das abgeschlossene System in diesem Fall das Universum?

Kommentar von Ahzmandius ,

In welchem Fall denn genau. Man nimmt schon an, dass das Universum abgeschlossen ist.

Antwort
von tantra, 16

Den vielen Inhaltlich schönen Antworten mag ich noch eines hinzufügen. Entropie kann man als Informationsmaß auffassen (Shannon-Entropie). Und dass mit der Zeit die über ein abgeschlossenes System bekannte Information nicht verschwindet, sondern man bestenfalls mehr darüber erfährt, lässt den 2. Hauptsatz in einem ziemlich logischen - gar notwendigen - Licht erscheinen.

Stellt man die Aussage auf den Kopf, nämlich dass ein Informationsgewinn einen Zeitfortschritt markiert, wird es philosophisch spannend ...

Kommentar von Hamburger02 ,

Das ist richtig. Der Mathematiker Norbert Wiener führte zusätzlich zur Masse und Energie die Information als eigenes Phänomen in die Physik ein. Er definierte auch eine Informationsentropie, mit der man besser  rechnen kann, als mit der Shannon-Entropie, da sie in sich logischer ist. Allerdings unterscheiden sich beide auch nur um den Faktor -1. Innerhalb der Informatik lässt es sich besser mit Shannon rechnen. Die Shannonentropie entspricht dem, was man in der Thermodynamik bisweilen als Anentropie liest.

Philosophisch spannend ist der 2. HS sowieso. Ich behaupte sogar, dass kein anderer Satz so eine starke Strahlkraft in die Geisteswissenschaften hat, wie der. In seiner neuen Formulierung von Prigogine ist er inzwischen sogar Grundlage für die Beschreibung konkreter gesellschaftlicher Phänomene. So behaupten z.B. Wirtschaftswissenschaftler, die sich mit der Theorie Prigogines beschäftigen, dass die nächste Finanzkrise naturgesetzlich kommen wird, man wisse bloß noch nicht wann. In der Philosophie findet  eine breite Diskussion um Determinismus und Freien Willen statt. Eine weitere Diskussion findet um das Stichwort Emergenz herum statt, denn die Theorie Prigogiens könnte man auch als Emergenztheorie bezeichnen. Karl Popper war der Philosoph, der wohl als erster die Theorie Prigogines philosphisch auswertete und vertrat.

Erstaunlicherweise beschäftigen sich auch viele katholische Theologen auf akademischem Niveau mit dieser Theorie. Da geht es häufig um die Aussage, Geist emergiert aus der Hirntätigkeit, während die Theologen behaupten, der Geist werde dem Menschen durch Gott eingehaucht.

Kommentar von Hamburger02 ,

Korrektur: das heißt nich Anentropie sondern Negentropie, was man bisweilen liest.

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