Entropie – Einfach Erklärt – ohne Formeln.

• Was bedeutet Entropie?
• Und warum nimmt sie niemals ab?
• Und was hat das Ganze mit Unordnung oder Ordnung zu tun?
• Hier wird dir Entropie einfach erklärt.

Entropie Definition

Bob: Hey Alice, was ist die Definition von Entropie? Und was hat das mit Physik zu tun?

Alice: Entropie ist ein Maß für die Anzahl von Möglichkeiten.

Bob: Was denn für Möglichkeiten?

Alice: Stell die eine Kiste vor, deren Boden vollständig mit roten und blauen Murmeln bedeckt ist. Jetzt ordnest du die Murmeln so an, dass genau die rechte Hälfte blau ist und die linke Hälfte rot. Wie viele Möglichkeiten gibt es die Murmeln auf diese Weise anzuordnen?

Bob: Nur eine, oder?

Alice: Genau. Für diese Anordnung gibt es nur eine Möglichkeit. Die Entropie ist niedrig, in diesem Fall sogar Null. Jetzt schüttelst du die Kiste und wartest bis die Kugeln wieder den Boden bedecken. Was meinst du passiert?

Bob: Naja, die Kugeln werden sich vermischen. Jetzt habe ich ein zufälliges kompliziertes Muster aus blauen und roten Kugeln, stimmts?

Alice: Korrekt. Wie viele mögliche Anordnungen der Kugeln gibt es, damit irgendein kompliziertes Muster aus roten und blauen Kugeln entsteht?

Bob: Sehr viele nehme ich an.

Alice: Jawoll. Die Entropie dieser Anordnung ist hoch, weil es viele Möglichkeiten gibt.

Bob: Ich verstehe. Viele Möglichkeiten für ein bestimmtes Ergebnis heißt hohe Entropie und wenig Möglichkeiten nennen wir niedrige Entropie.

Warum nimmt Entropie niemals ab?

Alice: Genau. Da es nur eine Möglichkeit gibt, dass sich die Kugeln farblich perfekt sortieren, ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass dies durch schütteln passiert extrem niedrig. Und da es viele Möglichkeiten gibt, dass sich die Kugeln vermischen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass dies passiert sehr hoch. Bei sehr vielen Kugeln sind diese Wahrscheinlichkeiten so extrem verschieden, dass sich niemals die Kugeln durch schütteln spontan farblich sortieren. Sie werden sich immer vermischen, weil es mehr Möglichkeiten dafür gibt. In anderen Worten: Die Entropie nimmt niemals ab. Das ist der berühmte zweite Hauptsatz der Thermodynamik.

Bob: Cool! Das ist ja total logisch. Na klar passiert das was die meisten Möglichkeiten hat. Aber was ist, wenn ich nun die Kugeln sortiere? Dann nimmt doch die Entropie ab!

Alice: Nur wenn du die Kiste isoliert betrachtest. Aber um die Kugeln zu sortieren, brauchst du Energie. Dafür verbrennt ein Körper Kalorien. Für diese Kalorien wandelt dein Darm veganen Quinoa-Avocado-Salat in einen riesigen Haufen Scheiße um. Es gibt weniger Möglichkeiten Atome so anzuordnen, dass sie einen Quinoa-Avocado-Salat ergeben und viele Möglichkeiten, dass sie einen Haufen Scheiße ergeben. Ein Haufen Scheiße hat also mehr Entropie als ein Quinoa-Avocado-Salat. Das heißt, während du die Entropie der Murmeln verringerst, nimmt die Entropie in deinem Körper zu! Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt nun, dass die die gesamte Entropie nach dem Ordnen der Murmeln trotzdem zugenommen hat, obwohl die Entropie der Kiste alleine abnimmt.

Das Leben

Bob: Ah okay. Ich verstehe. Kann man das auch auf das Leben übertragen? Es gibt wenig Möglichkeiten, dass mein Leben so verläuft wie ich es mir wünsche und viele Möglichkeiten, dass mein Leben sich nicht nach meinen Wünschen entwickelt. Heißt das, wenn ich die Energie von meinem Essen nicht dazu nutze mein Leben zu ordnen, wird es nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik automatisch immer schlechter?

Alice: Haha, das gefällt mir.

Bob: Ganz verstehe ich das aber noch nicht. Woher hat denn mein Essen die niedrige Entropie? Das war doch alles irgendwann mal Erde, Luft und Wasser mit hoher Entropie?

Alice: Exzellente Frage! Die Lösung ist die Sonne. Das Licht, dass von der Sonne auf die Erde gelangt ist hauptsächlich im sichtbaren Bereich. Pflanzen machen mit diesem Licht Photosynthese und spalten den Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Luft in Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O2) auf. Dabei wird etwas Energie (Photonen) von dem Sonnenlicht verbraucht. Da diese Photonen eine recht hohe Energie haben, sind es relative wenige und haben somit eine sehr niedrige Entropie.

Bob: Warum sind es weniger Photonen, wenn sie viel Energie haben?

Alice: Weil die Gesamtenergie die Anzahl der Photonen mal die Energie eines einzelnen Photons ist. Wenn jedes Photon viel Energie hat, braucht man weniger Photonen um die Gesamtenergie zu erreichen.

Bob: Verstehe. Und weniger Photonen heißt weniger Möglichkeiten heißt weniger Entropie. Das bedeutet Pflanzen nutzten die niedrige Entropie des Sonnenlichts um sich selbst niedrige Entropie zu ergaunern? Ganz schön gerissen.

Alice: So ist es. Die Pflanzen können wir nun essen oder verbrennen. In beiden Fällen wird die Energie von den Pflanzen in Wärme umgewandelt. Diese Wärme strahlt wieder Photonen ab, allerdings nicht im sichtbaren, sondern im infraroten Bereich. Und die Erde muss im Schnitt natürlich genausoviel Energie abstrahlen wie sie aufnimmt, sonst würde sie irgendwann verglühen. Infratote Photonen haben relativ wenig Energie, also sind es sehr viele und haben damit eine hohe Entropie. Das System Sonne plus Erde erhöht also ständig seine Entropie, weil die Erde aus wenigen Photonen viele Photonen macht. Und nur deshalb kann auf der Erde Leben mit relativ wenig Entropie existieren.

Bob: Wahnsinn.

Alice: Yap.

Der Urknall

Bob: Also Entropie nimmt im Universum immer zu? Dann muss das Universum ja ganz am Anfang, beim Urknall, eine extrem niedrige Entropie gehabt haben. Wie ging denn das?

Alice: Das ist tatsächlich eine ungelöste Frage. Niemand weiß es.

Bob: Verrückt.

Der Zeitpfeil

Alice: Ja und sehr interessant. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns auch in welche Richtung der Zeitpfeil zeigt. Er macht als einziges physikalisches Gesetz einen Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft.

Bob: Wie denn das?

Alice: Stell dir ein Ei vor, dass du auf den Boden wirfst und es zerbricht. Es gibt viele Möglichkeiten für zerbrochene Eier, aber wenig Möglichkeiten für ganze Eier. Beim Zerbrechen nimmt die Entropie zu. Wenn du das Ganze filmst und den Film rückwärts abspielst, erkennst du sofort, dass dieser Film rückwärts abgespielt wurde. Du weißt sofort in welcher Reihenfolge sich die Ereignisse abgespielt haben müssen. Von wenig Möglichkeiten zu vielen Möglichkeiten und nicht umgekehrt.

Bob: Wow. Okay. Sonst noch irgendwas?

Was bringt uns das?

Alice: Ja! Wir nutzen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ständig beim Backen und beim Kochen! Wenn wir wollen, dass sich Zutaten gleichmäßig vermischen, müssen wir nur rühren. Denn es gibt viele Möglichkeiten, dass sich deine Zutaten vermischen und sehr wenige, dass sich plötzlich all dein Mehl in nur einem Bereich deiner Schüssel befindet. Wenn du das nächste Mal kochst, denk daran! 😊

Fazit: Entropie ist ein Maß für die Anzahl von Möglichkeiten. Etwas mit vielen Möglichkeiten hat eine höhere Wahrscheinlichkeit zu passieren. Deshalb nimmt die Entropie immer zu.

Welche Erfahrungen mit Entropie hast Du in deinem Leben so gemacht? Hast Du Fragen? Teile sie uns mit!