Je kunt de tandpasta niet gemakkelijk terug in de tube doen. Je kunt niet verwachten dat stoommoleculen spontaan weer naar elkaar toe migreren om een ​​bal water te vormen. Als je een stel corgi-puppy's in een veld loslaat, is het zeer onwaarschijnlijk dat je ze allemaal weer in een krat kunt krijgen zonder een hoop werk te doen. Dit zijn de problemen die samenhangen met de Tweede Wet van de Thermodynamica, ook wel bekend als de Wet van Entropie.

1. De tweede wet van de thermodynamica
2. De definitie van stoornis
3. Entropie is verwarrend

De tweede wet van de thermodynamica

Thermodynamica is belangrijk voor verschillende wetenschappelijke disciplines, van techniek tot natuurwetenschappen tot scheikunde, natuurkunde en zelfs economie. Een thermodynamisch systeem is een besloten ruimte, waar geen energie in of uit kan komen.

De eerste wet van de thermodynamica heeft te maken met het behoud van energie - u herinnert zich waarschijnlijk dat u eerder hebt gehoord dat de energie in een gesloten systeem constant blijft ("energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd"), tenzij er van buitenaf mee wordt geknoeid. De energie verandert echter voortdurend van vorm - een vuur kan chemische energie van een plant omzetten in thermische en elektromagnetische energie. Een batterij zet chemische energie om in elektrische energie. De wereld draait en de energie wordt minder georganiseerd.

"De tweede wet van de thermodynamica wordt de entropiewet genoemd", vertelde Marko Popovic, een postdoctoraal onderzoeker in Biothermodynamics aan de School of Life Sciences aan de Technische Universiteit van München, ons in een e-mail. "Het is een van de belangrijkste wetten in de natuur."

Entropie is een maat voor de stoornis in een gesloten systeem. Volgens de tweede wet neemt de entropie in een systeem in de loop van de tijd bijna altijd toe - je kunt werk doen om orde in een systeem te scheppen, maar zelfs het werk dat wordt gestoken in het opnieuw ordenen, vergroot wanorde als bijproduct - meestal in de vorm van warmte. Omdat de maat voor entropie gebaseerd is op waarschijnlijkheden, is het natuurlijk mogelijk dat de entropie af en toe in een systeem afneemt, maar dat is statistisch gezien zeer onwaarschijnlijk.

De definitie van stoornis

Het is moeilijker dan je zou denken om een ​​systeem te vinden dat geen energie naar buiten of naar binnen laat - ons universum is daar net zo'n goed voorbeeld van als wij - maar entropie beschrijft hoe wanorde plaatsvindt in een systeem zo groot als het universum of zo klein als een thermoskan vol koffie.

Entropie heeft echter niets te maken met het soort stoornis waar je aan denkt als je een stel chimpansees in een keuken opsluit. Het heeft meer te maken met hoeveel mogelijke permutaties van rommel kan in die keuken worden gemaakt in plaats van hoe groot een puinhoop is mogelijk. De entropie hangt natuurlijk van veel factoren af:hoeveel chimpansees er zijn, hoeveel spullen er in de keuken worden opgeslagen en hoe groot de keuken is. Dus als je naar twee keukens zou kijken - een heel groot en tot de kieuwen gevuld maar zorgvuldig schoon, en een andere die kleiner is met minder spullen erin, maar al behoorlijk verwoest door chimpansees - is het verleidelijk om te zeggen dat de rommeligere kamer meer heeft entropie, maar dat is niet noodzakelijk het geval. Entropie houdt zich meer bezig met hoeveel verschillende toestanden er mogelijk zijn dan hoe ongeordend het op dit moment is; een systeem heeft daarom meer entropie als er meer moleculen en atomen in zitten, en als het groter is. En als er meer chimpansees zijn.

Entropie is verwarrend

Entropie is misschien wel het meest ware wetenschappelijke concept dat de minste mensen echt begrijpen. Het concept van entropie kan erg verwarrend zijn - deels omdat er eigenlijk verschillende soorten zijn. De Hongaarse wiskundige John von Neumann betreurde de situatie als volgt:"Wie de term 'entropie' in een discussie gebruikt, wint altijd omdat niemand weet wat entropie werkelijk is, dus in een debat heeft men altijd het voordeel."

"Het is een beetje moeilijk om entropie te definiëren", zegt Popovic. "Misschien kan het het best worden gedefinieerd als een niet-negatieve thermodynamische eigenschap, die een deel van de energie van een systeem vertegenwoordigt dat niet kan worden omgezet in nuttig werk. Dus elke toevoeging van energie aan een systeem impliceert dat een deel van de energie zal worden omgezet in entropie, waardoor de wanorde in het systeem toeneemt. Entropie is dus een maatstaf voor de wanorde van een systeem."

Maar voel je niet slecht als je in de war bent:de definitie kan variëren afhankelijk van de discipline die het op dit moment hanteert:

Halverwege de 19e eeuw werkte een Duitse natuurkundige genaamd Rudolph Clausius, een van de grondleggers van het concept van de thermodynamica, aan een probleem met betrekking tot de efficiëntie van stoommachines en bedacht het concept van entropie om nutteloze energie te meten die niet kan worden omgezet in nuttig werk. Een paar decennia later gebruikte Ludwig Boltzmann (entropy's andere "oprichter") het concept om het gedrag van immense aantallen atomen te verklaren:hoewel het onmogelijk is om het gedrag van elk deeltje in een glas water te beschrijven, is het nog steeds mogelijk om te voorspellen hun collectieve gedrag wanneer ze worden verwarmd met behulp van een formule voor entropie.

"In de jaren zestig interpreteerde de Amerikaanse natuurkundige E.T. Jaynes entropie als informatie die we missen om de beweging van alle deeltjes in een systeem te specificeren", zegt Popovic. "Een mol gas bestaat bijvoorbeeld uit 6 x 10 ²³ deeltjes. Voor ons is het dus onmogelijk om de beweging van elk deeltje te beschrijven, dus in plaats daarvan doen we het beste, door het gas niet te definiëren door de beweging van elk deeltje, maar door de eigenschappen van alle deeltjes samen:temperatuur, druk , totale energie. De informatie die we verliezen wanneer we dit doen, wordt entropie genoemd."

En het angstaanjagende concept van "de hittedood van het universum" zou niet mogelijk zijn zonder entropie. Omdat ons universum hoogstwaarschijnlijk begon als een singulariteit - een oneindig klein, geordend energiepunt - dat explodeerde en voortdurend uitbreidt, groeit de entropie voortdurend in ons universum omdat er meer ruimte is en daarom meer potentiële toestanden van wanorde voor de atomen hier aan te nemen. Wetenschappers hebben de hypothese geopperd dat, lang nadat jij en ik weg zijn, het universum uiteindelijk een punt van maximale wanorde zal bereiken, waarna alles dezelfde temperatuur zal hebben, zonder dat er ordeningspunten (zoals sterren en chimpansees) te vinden zijn.

En als het gebeurt, hebben we er entropie aan te danken.

De twintigste-eeuwse wetenschapper Sir Arthur Eddington vond het concept van entropie zo belangrijk voor de wetenschap dat hij in 1928 in The Nature of the Physical World schreef:"De wet dat entropie altijd toeneemt, heeft, denk ik, de hoogste positie onder de wetten van de natuur. ... Als je theorie in strijd blijkt te zijn met de Tweede Wet van de Thermodynamica, kan ik je geen hoop geven; er is niets om in de diepste vernedering in te storten."