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

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5 Antworten

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.

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Kommentar von tauchfabrik1982
05.03.2016, 19:26

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

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Kommentar von Karl37
05.03.2016, 21:59

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

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Kommentar von Rinchen123
08.03.2016, 01:09

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

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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.

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Kommentar von grtgrt
05.03.2016, 17:53

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.

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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.

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Kommentar von Hamburger02
07.03.2016, 16:56

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.

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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)

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Kommentar von tauchfabrik1982
05.03.2016, 17:00

dann wäre das abgeschlossene System in diesem Fall das Universum?

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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 ...

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Kommentar von Hamburger02
07.03.2016, 16:43

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.

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