Worum geht es?

Unordnung wird physikalisch mit Entropie bezeichnet. Es ist ein Trend in der Natur, dass die Entropie in einem System immer größer wird. Das erleben wir auch daheim: alle Dinge in unserem Zimmer werden sich gleichmäßig „unordentlich“ verteilen. Ein zweiter Trend der Natur ist ihr Wunsch nach geringster Energie: die Unordnung wird am Fußboden entstehen.

Achtung: Entropie als Unordnung zu bezeichnen, ist stark vereinfacht. Besser wäre vielleicht „maximale Verteilung“. Beim Studium von Chemie und Physik lernen Sie genauere Definitionen im Bereich der Thermodynamik kennen. Wir werden hier trotzdem mit der „Unordnung“ arbeiten, und vielleicht besser mit Entropie als „Informationsverlust“.

Wikipedia-Stichworte: Entropie, Energie, Aggregatzustand

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Drei Situationen zeigen, wie Entropie zunimmt. Entropie – die Unordnung. Der Informationsverlust.

  1. Eine Packung Reis fällt zu Boden. Die Packung platzt auf und die Reiskörner verstreuen sich um die Packung herum auf den Küchenboden. Am Anfang war der ganze Reis in der Schachtel oben am Tisch. Am Ende war der Reis verteilt auf einer großen Fläche auf dem Küchenboden unten. Am Anfang kann ich sagen, der Reis ist in der Packung (Information). Am Ende muss ich die Position jedes Reiskorns beschreiben (Informationsverlust). Die Entropie wurde erhöht.
  2. Ein Haus brennt ab. Es wurde mühevoll errichtet. Zement, Sand, Ziegel, Holz und Metalle wurden verbunden. Das war sehr mühsam. Ein Funke entzündet die Dachbalken, das Haus verbrennt. Die Feststoffe werden zu Rauch, Holz verbrennt zu Kohlenstoffdioxid, einem Gas. Das Gas verteilt sich in der ganzen Gegend. Zum Schluss bleibt nur ein Haufen Asche übrig. Das Haus steht dort (Information), es ist überall als Rauch und Gas verteilt (Informationsverlust). Die Entropie wurde erhöht.
  3. Ein Sack voller Rohstoffe – und daraus wird ein Mensch? Die Entropie wurde dadurch verringert, weil ein Mensch – wie alle Lebewesen – ein hohes Maß an Ordnung darstellt. Dazu war aber viel Energie notwendig. Lebewesen müssen essen – und höhere Lebewesen auch atmen. Sie essen Pflanzen, die die Energie der Sonne aufnehmen können, und mit Sauerstoff aus der Atmung schaffen sie die energiereichen Moleküle, die sie zum Leben brauchen. Die Entropie kann verringert werden, wenn Energie investiert wird.

Ein Studierender berichtet:

Ich haben ein Zimmer, wo es viel Plätze gibt, um Sachen abzulegen. Da ich nun jeden Tag ein Paar Socken anhabe und diese abends in meinem Zimmer ablege, sammelt sich bald ein Haufen von Socken an. Ein Paar Socken liegt vor meinem Bett (das sind die, die ich als Letze ablegte), dann zwei noch als Paar wahrnehmbare, aber schon weiter entfernt von einander links unterm Bett ( das sind die von vor 2 Tagen), und dann noch viele einzelne ganz hinten unterm Bett, einer unterm Schreibtischsessel, einer unter dem großen bequemen Klappsesel, zwei gleich beim Türeingang, ein anderer wieder hinter Schreibtisch usw. Es ist also sehr wahrscheinlich, dass mit der Zeit die Unordnung anwächst und die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass die Socken immer mehr an verschiedeneren Plätzen) meines Zimmers auftauchen. Die Wahrscheinlichkeit, dass sozusagen alle Socken an einen bestimmten Platz, also z. B. vor meiner Zimmertür liegen ist so unwahrscheinlich, dass es so viel eher auftritt.

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Definition von Entropie

Entropie könnte man auch als „Informationsverlust“ beschreiben, dieser soll maximal werden. Wenn sich die Medikamente im Medikamentenkasten befinden, ist meine Information, wo genau ein bestimmtes Fläschchen zu finden ist, groß. Ich kann es schnell per Telefon durchsagen.

Wenn alle Medikamente aber quer durch die Wohnung verstreut werden – und das ist der Trend der Natur – dann muss ich über Telefon schon viele Anweisungen geben: schau da nach, oder dort, oder vielleicht dort… Der Informationsverslust ist groß geworden.

Entropie – eine Zustandsgröße der Thermodynamik

In einem abgeschlossenen System kann die Entropie nur zunehmen. Genauso wie Zeit nur in eine Richtung verläuft. Nur in einem Austausch mit einem zweiten System kann die Entropie weniger werden. Weden zwei Systeme zusammengefügt, addieren sich ihre Entropien. So wie das Volumen, oder die Massen. Der dritte Hauptsatz der Wärmelehre legt die Entropie am absoluten Nullpunkt mit Null fest. Entropie ist keine Erhaltungsgröße: sie kann erzeugt werden, sie kann aber danach nicht verringert werden.

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Reversibel oder Irreversibel?

Der Wunsch der Natur, die Entropie wachsen zu lassen, und die Energie zu minimieren, wirkt sich auf die Ablaufrichtung von Prozessen aus.

Die Blätter eines Baumes fallen zu Boden. Dieser Prozess ist irreversibel.

Eine Kugel rollt über den Tisch. Dieser Prozess ist reversibel.

Wie kann man unterscheiden, ob ein Prozess reversibel oder irreversibel ist? Man filmt ihn und lässt den Film verkehrt herum ablaufen. Wenn einem das komisch vorkommt (Blätter fallen auf den Baum hinauf), dann ist der Prozess irreversibel. Wenn einen das normal vorkommt (Kugel rollt), dann ist der Prozess reversibel.

Irreversible Prozesse sind Prozesse, bei denen ein System nicht ohne Energieeinsatz in ihren Ursprungszustand zurückkehren.

Reversible Prozesse sind Prozesse, die von alleine in ihren Ursprungszustand zurückkehren können.

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Leben ist Ordnung. Wie kann das sein?

Die Frage ist nun, wie im Universum so etwas Organisiertes wie Leben entstehen konnte. Das war möglich, weil es dafür in einer anderen Ecke des Universums noch einen Tick unordentlicher ist. Es braucht sehr viel Energie (Nahrung) um diesen Zustand aufrecht zu erhalten. Die Sonne liefert die nötige Energie, um die Entropie auf der Erde niedrig zu halten, sodass komplexes Leben entstehen konnte.

Der Biochemiker Gottfried Schatz erklärt in den folgenden Audio-Ausschnitten, wie die Energie der Sonne in die Zellen kommt. Er hat bedeutende Entdeckungen im Bereich der Mitochondrien, der Zellkraftwerke gemacht.

Energie der Sonne in Lebewesen

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Wikipedia-Stichwort: Wärmetod


Foto: Lothar Bodingbauer sen. | Text Lothar Bodingbauer unter Mitarbeit einer mittlerweile unbekannten Studierenden. Audio: Gottfried Schatz in „Vom Leben der Natur“, ORF Radio Österreich 1, Gestaltung: Lothar Bodingbauer