Entropie Materie
In de voorgaande bespreking hebben we verschillende specifieke formuleringen van de tweede wet van de thermodynamica bestudeerd. Het is belangrijk op te merken dat deze specifieke formuleringen slechts bepaalde irreversibele processen kunnen verklaren. De formulering van Clausius verklaart alleen warmteoverdracht en de relatie daarvan tot het werkingsprincipe van een koelkast. De formuleringen van Kelvin en Planck hebben betrekking op het werkingsprincipe van een koelkast. warmtemotorIn essentie hebben deze twee beweringen betrekking op warmteoverdracht. Er zijn veel andere onomkeerbare processen die niet met deze twee beweringen verklaard kunnen worden.
De specifieke formulering van de tweede wet van de thermodynamica kan niet alle irreversibele processen verklaren, dus hebben we een meer algemene formulering nodig. Van deze algemene formulering wordt verwacht dat deze alle irreversibele processen in het universum verklaart. De algemene formulering van de tweede wet van de thermodynamica werd pas halverwege de negentiende eeuw geformuleerd, aan de hand van een grootheid genaamd entropie (S). Entropie kan worden gezien als een maat voor wanorde. De grootheid entropie werd voor het eerst geïntroduceerd door Clausius en afgeleid van de Carnot-cyclus (een perfecte warmtemotor). Volgens Clausius wordt de grootte van de verandering in entropie die een systeem ondervindt wanneer het systeem extra warmte (Q) ontvangt bij een constante temperatuur, uitgedrukt door de vergelijking:
Entropie is een grootheid die de microscopische toestand van een systeem beschrijft en daarom niet direct meetbaar is. We onderzoeken alleen de verandering in entropie, vergelijkbaar met de verandering in energie in een systeem. eerste wet van de thermodynamica.
Voorbeeldvraag 1:
Een hoeveelheid gas in een container ondergaat adiabatische expansie. Wat is de verandering in entropie van het gas?
Discussie
Tijdens een adiabatisch proces is er geen calorie dat het systeem (gas) binnenkomt of verlaat. Omdat Q = 0 dan ΔS = 0. De entropie van het systeem verandert niet, oftewel is constant. Hoe zit het met adiabatische compressie? Dat is in principe hetzelfde. Tijdens adiabatische compressie komt er geen warmte in het systeem en verlaat het systeem ook niet (Q = 0). Daarom is de entropie van het systeem constant.
Voorbeeldvraag 2:
Een Carnot-motor ontvangt 2000 J warmte bij 500 K, verricht arbeid en stoot een bepaalde hoeveelheid warmte af bij 350 K. Bepaal de hoeveelheid afgevoerde warmte en de totale entropieverandering in de motor gedurende één cyclus.
Discussie
Als het systeem warmte opneemt, is Q positief; als het systeem warmte afgeeft, is Q negatief. Het systeem in dit geval is een Carnot-motor.
Tijdens één cyclus ondergaat een Carnot-motor twee omkeerbare isotherme processen (isotherme expansie + isotherme compressie) en twee omkeerbare adiabatische processen (adiabatische expansie en adiabatische compressie). Tijdens de adiabatische expansie- en compressieprocessen komt er geen warmte in of uit het systeem (Q = 0). Omdat Q = 0, is de verandering in entropie tijdens het adiabatische proces gelijk aan 0.
Tijdens isotherme expansie absorbeert de motor 2000 J warmte (Q) bij een temperatuur (T) van 500 K. Omdat de motor warmte absorbeert, is Q positief. De verandering in entropie van de motor tijdens isotherme expansie is:
Tijdens isotherme compressie stoot de motor 1400 J warmte (Q) af bij een temperatuur (T) van 350 K. Omdat de motor warmte afstoot, heeft Q een negatief teken. De verandering in entropie van de motor tijdens isotherme compressie is:
Totale entropieverandering = 4 J/K ‒ 4 J/K = 0
Voorbeeldvraag 3:
Een warmtemotor ontvangt 600 joule warmte (Q) bij een temperatuur van 300 °C. oC, waarbij arbeid wordt verricht en een bepaalde hoeveelheid warmte vrijkomt bij een temperatuur van 100 oC. Bepaal de hoeveelheid afgevoerde warmte en de totale entropieverandering in de motor gedurende één cyclus…
Discussie
TH = 300 K.
QH = 600 J
TL = 100 K.
QL =?
Tijdens één cyclus ondergaat een Carnot-motor twee omkeerbare isotherme processen (isotherme expansie + isotherme compressie) en twee omkeerbare adiabatische processen (adiabatische expansie en adiabatische compressie). Tijdens de adiabatische expansie- en compressieprocessen komt er geen warmte in of uit het systeem (Q = 0). Omdat Q = 0, is de verandering in entropie tijdens het adiabatische proces gelijk aan 0.
Tijdens isotherme expansie absorbeert de motor 600 J warmte (Q) bij een temperatuur (T) van 300 K. Omdat de motor warmte absorbeert, is Q positief. De verandering in entropie van de motor tijdens isotherme expansie is:
Tijdens isotherme compressie stoot de motor 200 J warmte (Q) af bij een temperatuur (T) van 100 K. Omdat de motor warmte afstoot, heeft Q een negatief teken. De verandering in entropie van de motor tijdens isotherme compressie is:
Totale entropieverandering = 2 J/K ‒ 2 J/K = 0
Uit voorbeeldvraag 2 en voorbeeldvraag 3 blijkt dat de totale entropieverandering voor een reversibel proces gelijk is aan 0. Met andere woorden, bij een reversibel proces is de totale entropie altijd constant.
Voorbeeldvraag 4:
Een ijsblokje van 2 kg heeft een temperatuur van 0 oC. De ijsblokjes worden in een bak geplaatst en in de zon gedroogd. Doordat ze extra warmte van de lucht en de zon opnemen, smelt het ijs. Bepaal de verandering in entropie van het ijs. (De smeltwarmte van water = 3,34 x 10⁻⁶)5 J/kg)
Discussie
Massa ijs = 2 kg
IJstemperatuur = 0 oC + 273 = 273 K
Smeltwarmte van water = 3,34 x 10⁵ J/kg
De warmte die nodig is om 2 kg ijs in water te smelten:
Q = mL
Q = (2 kg)(3,34 x 105 J/kg)
Q = 6,68 x 105 J
Q = 668 x 103 J
Tijdens het smeltproces (van ijs naar water) blijft de temperatuur constant. Omdat de temperatuur constant is, wordt de verandering in entropie van het ijs berekend.
Voorbeeldvraag 5:
Een glas water met een temperatuur van 26 oC gemengd met een glas water van 22 oC. Als de massa water in het glas 2 kg is, bepaal dan de verandering in entropie van het water. Ga ervan uit dat warm water en koud water worden gemengd in een gesloten, goed geïsoleerde container. Warmteoverdracht is een irreversibel proces.
Discussie
Soortelijke warmte van water (c) = 4180 J/kg°Co
Massa water = 2 kg (dezelfde massa water).
Omdat de massa water gelijk is, is de uiteindelijke temperatuur van het mengsel 24. oC (26 oC+22 oC / 2 = 48 oC / 2 = 24 oC).
De hoeveelheid warmte die vrijkomt bij heet water wanneer de temperatuur daalt van 26 oC - 24 oC:
Q = mc ΔT = (2 kg)(4180 J/kg Co)(26 oC - 24 oC) = (2 kg)(4180 J/kg Co)(2 oC) = 16720 J
De hoeveelheid warmte die koud water absorbeert wanneer de temperatuur stijgt van 22 °C naar 24 °C:
Q = mc ΔT = (2 kg)(4180 J/kg Co)(24 oC - 22 oC) = (2 kg)(4180 J/kg Co)(2 oC) = 16720 J
Totale entropieverandering = Verandering in entropie van warm water + verandering in entropie van koud water
Gemiddelde temperatuur van het warme water = (26 oC+24 oC) / 2 = 50 oC / 2 = 25 oC ‐‐‐‐ 25 + 273 = 298 K
Gemiddelde temperatuur van koud water = (22 oC+24 oC) / 2 = 46 oC / 2 = 23 oC ‐‐‐‐ 23 + 273 = 296 K
Heet water geeft warmte af, dus Q is negatief. Omgekeerd absorbeert koud water warmte, dus Q is positief. Denk aan de tekenconventie van Q (eerste wet van de thermodynamica).
ΔS Totaal = ΔS warm water + ΔS koud water
Δ S Totaal = ‐ 56,107 J/K + 56,486 J/K
ΔS Totaal = 0,379 J/K
De totale entropie neemt toe met 0,379 J/K.
Hoewel de entropie van sommige delen van het systeem afneemt (‐56,107 J/K), neemt de entropie van andere delen van het systeem met een grotere hoeveelheid toe (+ 56,486 J/K), waardoor de totale entropie altijd toeneemt (+ 0,379 J/K).
De toename van de totale entropie in een irreversibel proces is niet alleen van toepassing op de warmteoverdracht tussen het hete en koude watermengsel dat we hierboven hebben geanalyseerd, maar geldt ook voor alle gevallen die door wetenschappers zijn bestudeerd. De totale entropie blijft altijd constant als het proces reversibel is. Als het proces irreversibel is, neemt de totale entropie altijd toe.
In wezen zijn alle natuurlijke processen in ons dagelijks leven onomkeerbaar, waardoor de totale entropie onvermijdelijk toeneemt. Dit feit wordt samengevat in de volgende zin:
Bij een onomkeerbaar proces neemt de totale entropie van het systeem en de omgeving altijd toe.
Deze cursieve zin is een algemene formulering van de tweede wet van de thermodynamica. De tweede wet van de thermodynamica verschilt enigszins van andere natuurwetten. Gewoonlijk worden natuurwetten uitgedrukt als vergelijkingen (bijvoorbeeld de wetten van Newton) of als behoudswetten (bijvoorbeeld de wet van behoud van energie).
Entropie is een maat voor wanorde.
Entropie kan worden beschouwd als een maat voor wanorde. In relatie tot de algemene formulering van de tweede wet van de thermodynamica, neemt wanorde toe bij irreversibele processen. Met andere woorden, elk irreversibel proces leidt in wezen tot een toestand van wanorde. De betekenis van wanorde is hier wellicht niet direct duidelijk, daarom zal deze worden toegelicht aan de hand van voorbeelden van irreversibele processen die in het dagelijks leven voorkomen.
Het is belangrijk om op te merken dat het concept entropie oorspronkelijk alleen werd geassocieerd met onomkeerbare processen waarbij veranderingen in energievorm en energieoverdracht plaatsvonden. Nadat een mango van zijn steel is losgelaten en vrij naar beneden valt tot hij de grond raakt, glijdt hij nooit meer omhoog. Een boek dat we duwen en dan stoppen, beweegt nooit meer naar ons terug. Dit zijn enkele voorbeelden van onomkeerbare processen die verband houden met veranderingen in energievorm en de overdracht van energie van het ene object naar het andere. Deze processen vinden slechts in één richting plaats, nooit in de tegenovergestelde richting. Een mango glijdt nooit vanzelf omhoog omdat... interne energie getransformeerd in kinetische energieHet boek schuift nooit naar ons toe, omdat de warmte die door wrijving ontstaat, wordt omgezet in kinetische energie.
Onomkeerbare processen in het universum hebben niet alleen te maken met veranderingen in energievormen en energieoverdracht. Na onze geboorte groeien we op tot baby's, kinderen, tieners, volwassenen, worden we oud, raken we in verval en sterven we uiteindelijk 😉 Heb je ooit een oude persoon in een baby zien veranderen? Nooit… De mobiele telefoon die we gebruiken wordt na verloop van tijd dof en beschadigd… Een nieuwe auto die aanvankelijk soepel en krachtig was, wordt na een paar jaar gebruik minder soepel en zwakker. Heb je ooit een oude auto plotseling weer als nieuw zien worden? Of je favoriete mobiele telefoon die elke dag soepeler en beter wordt? Nooit… Na gebruik wordt de telefoon dof en beschadigd. Met auto's is het net zo… Dit zijn enkele voorbeelden van onomkeerbare processen die niets te maken hebben met veranderingen in energievormen en energieoverdracht… Nu we beseffen dat alle natuurlijke processen in het universum onomkeerbaar zijn, wordt het concept van entropie breder. De discussie omvat niet alleen thermodynamische processen, maar ook vele andere onomkeerbare processen in het universum.
Laten we nu eens een aantal onomkeerbare processen bespreken die in het dagelijks leven voorkomen. Laten we eerst een eenvoudig onomkeerbaar proces bekijken. Dit is slechts een inleiding, zodat u het concept van entropie en de relatie ervan tot onomkeerbare processen begrijpt.
Stel, je hebt een aantal rode en blauwe knikkers. De knikkers liggen in een bak. De blauwe knikkers liggen netjes onderin, terwijl de rode knikkers netjes bovenin liggen (linker afbeelding). De knikkers in de bak zien er heel ordelijk uit… Onderin liggen alle blauwe knikkers, bovenin alle rode.
Vervolgens schud je de bak op en neer. Doordat de bak op en neer wordt bewogen, verandert de aanvankelijk zeer regelmatige rangschikking van de knikkers in een onregelmatige (rechter afbeelding). De rode en blauwe knikkers raken door elkaar gemengd 😉 Hoe meer je schudt, hoe onregelmatiger de rangschikking van de knikkers wordt… Is het mogelijk dat de knikkers na het schudden weer zo regelmatig worden als voorheen? Dat is onmogelijk… Bewijs het maar als je het niet gelooft. Het is onmogelijk dat de knikkers weer zo regelmatig worden als voorheen… Dit is een voorbeeld van een onomkeerbaar proces. Na een onomkeerbaar proces verandert de aanvankelijk zeer regelmatige rangschikking van de knikkers in een onregelmatige. Regelmaat is veranderd in onregelmatigheid…
Hetzelfde gebeurt bij andere onomkeerbare processen. Wanneer we een warm en een koud voorwerp aanraken, stroomt er automatisch warmte van het warme naar het koude voorwerp. De warmtestroom stopt zodra de twee voorwerpen dezelfde temperatuur bereiken. Dit proces is onomkeerbaar. Aanvankelijk hebben we twee molecuulstructuren: moleculen met een hoge gemiddelde kinetische energie (de moleculen waaruit het warme voorwerp bestaat) en moleculen met een lage gemiddelde kinetische energie (de moleculen waaruit het koude voorwerp bestaat). Nadat het warme en het koude voorwerp dezelfde temperatuur hebben bereikt (de moleculen hebben dezelfde gemiddelde kinetische energie), kunnen we de twee molecuulstructuren niet meer onderscheiden. De aanvankelijk regelmatige molecuulstructuur verandert in een onregelmatige. Vergelijkbaar met de structuur van de knikkers hierboven. Nadat de twee voorwerpen dezelfde temperatuur hebben bereikt, verandert de regelmatige molecuulstructuur in een onregelmatige (de onregelmatigheid neemt toe door de onomkeerbare warmteoverdracht).
Bovendien kan de warmtestroom van een warm object naar een koud object worden gezien als de warmtestroom van een hogetemperatuurgebied naar een lagetemperatuurgebied in een warmtemotor. De warmtestroom van een hogetemperatuurgebied naar een lagetemperatuurgebied stelt een warmtemotor in staat arbeid te verrichten. Een warmtemotor kan geen arbeid verrichten zonder warmtestroom. We kunnen dus een verband leggen tussen de mate van wanorde en het vermogen om arbeid te verrichten. Nadat dezelfde temperatuur is bereikt, is er geen warmtestroom meer van het warme object naar het koude object (de wanorde neemt toe). Omdat de afwezigheid van warmtestroom een warmtemotor verhindert arbeid te verrichten, kunnen we stellen dat een systeem dat geen arbeid kan verrichten een hoge wanorde heeft, terwijl een systeem dat wel arbeid kan verrichten een lage wanorde heeft.
Uit deze resultaten kunnen we conclusies trekken over de relatie tussen energievormen en de mate van wanorde. In principe is de energievorm die gebruikt kan worden om arbeid te verrichten potentiële energie. De zwaartekrachtspotentiële energie van water kan gebruikt worden om een turbine aan te drijven. De chemische potentiële energie in olie kan gebruikt worden om een voertuig te bewegen. De chemische potentiële energie in ons lichaam kan gebruikt worden om arbeid te verrichten, te reizen, te studeren... De zwaartekrachtspotentiële energie van een mango kan gebruikt worden om een lek in het dak van een huis te repareren 😉 Omdat nuttige energievormen gebruikt kunnen worden om arbeid te verrichten, kunnen we stellen dat nuttige energievormen ordelijker zijn, terwijl nutteloze energievormen wanordelijker zijn. De nutteloze energievormen zijn interne energie en warmte... Nadat de mango de grond raakt, glijdt hij niet meer omhoog omdat de interne energie wordt omgezet in kinetische energie...
Nadat we het boek duwen, beweegt het. Door wrijving stopt het boek met bewegen… In dit geval is de kinetische energie van het boek omgezet in warmte (warmte ontstaat door wrijving). In werkelijkheid schuift het boek niet terug naar ons toe, omdat de warmte is omgezet in kinetische energie… Deze twee voorbeelden laten zien dat warmte twee nutteloze vormen van energie zijn. Nutteloze vormen van energie kunnen niet worden gebruikt om arbeid te verrichten. We kunnen dus stellen dat warmte en interne energie een hoge mate van onregelmatigheid vertonen…
In principe leidt het proces van het veranderen van de vorm van energie, van een nuttige naar een nutteloze vorm, altijd tot meer wanorde... In de volksmond: de entropie neemt altijd toe tijdens het proces van energieomzetting... Omdat de entropie altijd toeneemt met het verstrijken van de tijd, zullen alle nuttige vormen van energie veranderen in nutteloze vormen. Energie blijft behouden tijdens het proces van energieomzetting, maar de geordende vorm van energie die gebruikt kan worden om arbeid te verrichten, verandert in een onregelmatige vorm die niet meer gebruikt kan worden om arbeid te verrichten...
Entropie en statistiek
Eerder bespraken we dat entropie een maat is voor wanorde. Elk onomkeerbaar proces leidt in wezen tot een toestand van hoge wanorde. Dit idee kan abstract en onduidelijk lijken. Om het concept entropie beter te begrijpen, kunnen we een statistische benadering gebruiken. Het begrijpen van het concept entropie met behulp van een statistische benadering werd voor het eerst toegepast door Ludwig Boltzmann (1844-1906).
Aan het begin van dit artikel werd uitgelegd dat entropie een grootheid is die de microscopische toestand van een systeem beschrijft. Grootheden die macroscopische toestanden beschrijven, kunnen direct worden bepaald, maar grootheden die microscopische toestanden beschrijven, niet. Om de microscopische toestand te begrijpen, kunnen we de relatie tussen macroscopische en microscopische toestanden onderzoeken.
Heb je een munt van honderd rupiah? Een munt van honderd rupiah heeft twee kanten: op de ene kant staat een Garuda-vogel afgebeeld en op de andere kant het woord '100 rupiah'. Dus, stel dat je vierhonderd rupiah-munten hebt... als je al die vierhonderd rupiah-munten op de grond gooit, krijg je vijf verschillende uitkomsten bij één worp:
Eerst worden alle afbeeldingen van de Garuda-vogel getoond (4 afbeeldingen);
Ten tweede verschijnen er 3 afbeeldingen van de Garuda-vogel, 1 opschrift van honderd rupiah (3 afbeeldingen, 1 opschrift);
Ten derde verschijnen er 2 afbeeldingen van de Garuda-vogel, 2 woorden honderd rupiah (2 afbeeldingen, 2 woorden);
Ten vierde, er verschijnt 1 afbeelding van een Garuda-vogel, 3 woorden "honderd rupiah" verschijnen (1 afbeelding, 3 woorden);
Ten vijfde verschijnen de woorden honderd rupiah (4 woorden)...
We noemen deze vijf mogelijke afbeeldingen of opschriften macroscopische toestanden (macro = groot). Omgekeerd, als we de vier munten als afbeeldingen of opschriften weergeven, beschrijven we microscopische toestanden (micro = klein).
Bij één worp zijn er 16 mogelijke microscopische toestanden (elke munt heeft twee kansen. Vier munten hebben 16 kansen = 2 x 2 x 2 x 2 = 2⁴ = 16). De grootste kans is dat er 2 afbeeldingen en 2 teksten verschijnen (er zijn 6 mogelijke microscopische toestanden van de 16 - 6/16 x 100% = 37,5%). Aan de andere kant is de kleinste kans dat er 4 afbeeldingen of 4 teksten verschijnen (elk heeft 1 mogelijke microscopische toestand - 1/16 x 100% = 6,25%). Waar we het hier over hebben, is alleen de kans of waarschijnlijkheid... Als we 16 keer met munten gooien, is het niet zeker dat er 6 keer 2 afbeeldingen en 2 teksten verschijnen. Maar als we duizenden keren met munten gooien, kan de kans dat er 2 afbeeldingen en 2 teksten verschijnen oplopen tot 37,5%.
Het is beter om het te bewijzen... Gooi vierhonderd rupiah munten 100 keer op (1000 keer als je kunt 😉). Noteer de gegevens die je bij elke worp krijgt... Na 100 keer gooien zul je zien dat er het vaakst 2 afbeeldingen en 2 teksten verschijnen. Hoe vaker je gooit, hoe groter de kans dat je 2 afbeeldingen en 2 teksten krijgt, die oploopt tot 37,5% van het totale aantal worpen.
Eerder hebben we slechts naar 4 munten gekeken. Als we het aantal munten verhogen, neemt het aantal microscopische toestanden toe. Stel, we hebben 100 munten… Bij één worp zijn er 2¹⁰⁰ = 1,27 x 10³⁰ mogelijke microscopische toestanden… De grootste kans is dat er 50 afbeeldingen en 50 teksten verschijnen (er zijn 1,01 x 10²⁹ mogelijke microscopische toestanden van de in totaal 1,27 x 10³⁰ microscopische toestanden). Omgekeerd is de kleinste kans dat er 100 afbeeldingen of 100 teksten verschijnen (elk heeft slechts 1 mogelijke microscopische toestand van de in totaal 1,27 x 10³⁰ microscopische toestanden). Heel klein en bijna onmogelijk… Als we 1000 munten hebben, is de kans dat er 1000 afbeeldingen of 1000 teksten verschijnen natuurlijk nog kleiner en steeds onwaarschijnlijker.
Om dit te relateren aan het concept van entropie, kunnen we aannemen dat alle afbeeldingen of alle tekst in een ordelijke volgorde staan, terwijl de helft van de afbeeldingen en de helft van de tekst in een onregelmatige volgorde staan. Hoe groter het aantal munten, hoe kleiner de kans op een ordelijke volgorde (alle afbeeldingen of alle tekst), en hoe kleiner de kans dat dit gebeurt; het wordt bijna onmogelijk. Omgekeerd is de kans op een onregelmatige volgorde (de helft van de afbeeldingen en de helft van de tekst) veel groter. Uit dit resultaat blijkt dat onregelmatigheid nauw samenhangt met waarschijnlijkheid. De meest waarschijnlijke toestand is een onregelmatige toestand, terwijl de meest onwaarschijnlijke toestand een ordelijke toestand is.
De algemene formulering van de tweede wet van de thermodynamica, die we eerder besproken hebben, stelt dat entropie, oftewel wanorde, altijd toeneemt in elk onomkeerbaar proces. Deze formulering van de tweede wet van de thermodynamica kan worden opgevat als een waarschijnlijkheidsbewering. Dit betekent dat elk proces dat in het universum plaatsvindt, het proces is met de grootste waarschijnlijkheid of mogelijkheid. De tweede wet van de thermodynamica verbiedt niet dat de entropie in elk onomkeerbaar proces afneemt, maar de waarschijnlijkheid is zeer klein, bijna onmogelijk. Omgekeerd is de waarschijnlijkheid van een toename van de entropie veel groter. Het aantal centen dat we eerder onderzochten was slechts 100... in werkelijkheid zijn er 6,02 x 10¹⁰ centen.23 Moleculen... dat is een enorm aantal. De mogelijke microscopische toestanden van dit aantal zijn natuurlijk ook enorm, dus elke ordening heeft een zeer kleine, bijna onmogelijke, kans...
Als we een glas op de grond laten vallen, zouden de glasscherven die over de grond verspreid liggen zich weer kunnen samenpakken en een heel glas vormen zoals voorheen. Maar de kans dat dit gebeurt is zo klein dat het onmogelijk is... zolang het glas nog heel is, zijn de moleculen geordender gerangschikt. Wanneer het glas valt en breekt, waardoor de glasscherven over de grond verspreid raken, raakt de rangschikking van de moleculen verstoord. De kans dat ze weer geordend terugkeren is zo klein dat het onmogelijk is om te verwachten dat de glasmoleculen zich weer samenpakken. Als we een heet voorwerp en een koud voorwerp aanraken, stroomt de warmte vanzelf van het hete voorwerp naar het koude voorwerp... hete voorwerpen hebben moleculen die willekeurig en snel bewegen, terwijl de moleculen waaruit koude voorwerpen bestaan niet zo snel bewegen. De kans dat deze snel bewegende moleculen tegen elkaar botsen of naar het koude voorwerp overgaan is veel groter dan de kans dat de langzaam bewegende moleculen... wie het snelst is, krijgt het 😉 Warmte kan van een koud voorwerp naar een heet voorwerp overgaan, maar de kans dat dit gebeurt is veel kleiner.
De blauwe en rode knikkers in de bovenstaande illustratie zouden terug kunnen keren naar hun oorspronkelijke, regelmatige opstelling. Maar de kans dat ze terugkeren naar een ordelijke opstelling is veel kleiner. De kans op een wanordelijke opstelling is veel groter. Hetzelfde geldt voor de vrije uitzetting van gas in een gesloten container. De container heeft twee compartimenten, gescheiden door een barrière. Aanvankelijk bevindt het gas zich in het linker compartiment. Wanneer de barrière wordt verwijderd, zullen de gasmoleculen naar het rechter compartiment stromen. Het rechter compartiment is leeg, terwijl het linker compartiment moleculen bevat die willekeurig bewegen. Wanneer de barrière wordt verwijderd, is de kans groot dat de moleculen het lege compartiment binnenkomen. Als de moleculen het volledige volume van de container met twee compartimenten hebben gevuld, is het dan mogelijk dat alle moleculen het linker compartiment weer vullen? Het is mogelijk, maar de kans is zeer klein. In één mol gas bevinden zich 6,02 x 10¹⁰ moleculen.23 moleculen… de kans dat alle moleculen zich in de linkerruimte bevinden is 1 op een miljoen. 1 op een miljoen is een zeer kleine en bijna onmogelijke kans…
De tweede wet van de thermodynamica stelt dat elk proces dat in het universum plaatsvindt, het meest waarschijnlijke proces is. De richting waarin een proces in de natuur zich ontwikkelt (naar een hogere entropie) wordt bepaald door toeval of waarschijnlijkheid... wanorde heeft een veel grotere kans om op te treden en is daarom waarschijnlijker...
Entropie = pijl van de tijd
Entropie wordt ook wel de pijl van de tijd genoemd, omdat het ons de richting aangeeft waarin de tijd verstrijkt. De richting van elk natuurlijk proces is naar wanorde. Als we het tegenovergestelde waarnemen, dat wil zeggen dat wanorde zelf in orde verandert, kunnen we zeggen dat de gebeurtenis omgekeerd is. Als we zien dat verspreide glasscherven op de vloer zich weer verzamelen en een heel glas vormen, kunnen we zeggen dat de gebeurtenis omgekeerd is. Dit gebeurt nooit in ons dagelijks leven, en als het wel zou gebeuren, zou het de tweede wet van de thermodynamica schenden. In dat geval beweegt de tijd nooit achteruit en verandert wanorde nooit automatisch in orde. De meest waarschijnlijke en constante gebeurtenis in ons leven is dat orde altijd naar wanorde beweegt; de tijd beweegt altijd vooruit, niet achteruit. Als een oud persoon in een baby zou veranderen, zouden we dit als abnormaal beschouwen en als een schending van de tweede wet van de thermodynamica.
