Entropie

Die Entropie ist eine extensive Zustandsgröße, die im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik eingeführt wird.

Sie hat eine hohe Relevanz bei der Beurteilung der Güte von Prozessen, da jeder irreversibele und damit vom Ideal abweichende Prozess Entropie produziert. Die Entropie ist somit keine Erhaltungsgröße.

 

Um Aufgaben mithilfe einer Entropiebilanz zu lösen, können die nachfolgenden Informationen genutzt werden. Ein Verständnis dafür, was denn Entropie nun genau ist, ist für das erfolgreiche Lösen von Problemen meist nicht nötig. Mitunter stellen falsche oder stark vereinfachende Vorstellungen [Entropie = Unordnung o.ä.] sogar ein Hemmnis dar.

  • Jeder Wärmestrom transportiert Entropie. Dieser Entropiestrom lässt sich als Quotient aus Wärmestrom und Temperatur des Wärmestroms berechnen.
    Anmerkung: Arbeit transportiert keine Entropie.
  • Da Entropie eine extensive Größe ist, transportiert auch jeder Massenstrom Entropie in das betrachtete System. Dieser Entropiestrom lässt sich als Produkt des Massenstroms und dessen spezifischer Entropie berechnen.
  • Entropie kann im Falle von irreversiblen Prozessen aus dem Nichts heraus entstehen.
  • Eine negative Produktion, also eine Vernichtung, von Entropie ist niemals möglich.
    Anmerkung: Das bedeutet nicht,dass die Entropie in eine System nicht weniger werden kann. Wird Wärme aus einem System abgeführt, beispielsweise Abkühlen eines Stahlbarrens, so sinkt dessen Entropie. Diese wird aber nicht vernichtet, sondern einfach an die Umgebung transferiert.
  • Wenn es keinen Hinweis darauf gibt, dass es sich um ein instationäres System handelt, bleibt auch die im System gespeicherte Entropie über die Zeit konstant.

 

Es gibt viele Ansätze, die Bedeutung der Entropie zu erklären. Hier sollen einige genannt werden:

  • Entropie ist mit dem Begriff der Zeit verknüpft. Beide laufen nur in eine Richtung. Erst durch irreversible Vorgänge (=Entropieproduktion) können Menschen den Verlauf der Zeit wahrnehmen.
    Beispiel: Eine Kugel an einer idealen Feder im Vakuum kann unendlich lange schwingen. Ein Film dieses Vorgangs kann rückwärts abgespielt werden, ohne dass es dem Betrachter auffällt.
  • Alles Leben und alle ablaufenden Vorgänge im Universum basieren auf Unterschieden und Gradienten. Sind alle Unterschiede abgebaut und herrscht im ganzen Universum eine homogene Verteilung aller Zustandsgrößen (Temperatur, Druck...), so ist das Ende des Universums erreicht. Nichts geschieht mehr. Bei jedem Schritt auf dieses Ende des Universums zu wird Entropie produziert, also immer dann wenn ein Unterschied abgebaut wird, ohne dass gleichzeitig ein anderer Unterschied aufgebaut wird.
  • Es gibt weiterhin eine statistische Deutung der Entropie: Stellen Sie sich einen transparenten Salz- und einen transparenten Pfefferstreuer vor, deren Kappen entfernt wurden und deren Öffnungen Sie miteinander verbunden haben, so dass sich Salz und Pfeffer mischen können. Zu Beginn stellt sich die Situation wie folgt dar: Auf makroskopischem Niveau können wir feststellen, dass der eine Streuer schwarz und der andere weiß ist. Auf mikroskopischem Niveau können wir jedem Korn eine von zwei möglichen Positionen zuweisen: Entweder es ist im einen Streuer oder im anderen Streuer. Dabei ist zu Beginn jedes Salzkorn in Streuer 1 und jedes Pfefferkorn in Streuer 2; es gibt auf mikroskopischem Niveau also nur einen Zustand, der zu dem makroskopischen Zustand 'reines Weiß/reines Schwarz' führt.
    Nach nur minimalem Schütteln haben wir ein 99,99 prozentiges weiß im einen und ein 99,99 prozentiges schwarz im anderen Streuer. Im Streuer 1 ist nun ein Pfefferkorn und im Streuer 2 ein Salzkorn. Bei angenommenen 10.000 Salzkörnern, gibt es also 10.000 Möglichkeiten, welches der Salzkörner die Seite gewechselt haben kann. Multipliziert man das mit den 10.000 Möglichkeiten, welches der Pfefferkörner die Seite gewechselt haben könnte, so stellt man fest, dass es für den neuen Makrozustand (99,99 prozentiges Weiß/ 99,99 prozentiges Schwarz) nun bereits 100.000.000 Mikrozustände gibt.
    Je mehr Körner vertauscht werden, umso mehr Mikrozustände gibt es, die diese Makrozustände beschreiben. Zumindest so lange, bis ein 50 prozentiges Grau in beiden Streuern erreicht ist. Das ist der Zustand mit den meisten Mikrozuständen. Gleichzeitig wissen wir, dass das auch der Zustand ist, der sich von alleine nach einer Zeit des Schüttelns und Mischens einstellen wird. Dies ist der Zustand der maximalen Entropie. Die Entropie, die zu einem makroskopischen Zustand gehört, ist also abhängig von der Anzahl der möglichen Mikrozustände, die zu diesem Makrozustand führen.