Entro­pie: Warum Unord­nung unver­meid­lich ist!

In diesem Video wird das Konzept der Entro­pie als Maß für Unord­nung in geschlos­se­nen Syste­men erklärt. Ralph Caspers zeigt, dass Ordnung zu halten viel Energie erfor­dert und dass die Entro­pie in einem System immer zunimmt, was auf den zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik zurück­zu­füh­ren ist. Durch anschau­li­che Experi­men­te und alltäg­li­che Beispie­le wird verdeut­licht, wie schnell Unord­nung entsteht und welche Rolle die Entro­pie in unserem Univer­sum spielt. Am Ende wird speku­liert, dass die Entro­pie letzt­lich zu einem Zustand führen könnte, in dem keine Verän­de­run­gen mehr möglich sind.

Kernin­hal­te

• Entro­pie als Maß für Unord­nung in geschlos­se­nen Systemen.
• Der zweite Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik und seine Bedeutung.
• Die Heraus­for­de­rung, Ordnung zu halten und die dafür erfor­der­li­che Energie.
• Alltäg­li­che Beispie­le zur Veran­schau­li­chung der Entropie.
• Speku­la­tio­nen über den Zustand des Univer­sums in der fernen Zukunft.

Analyse und Gedanken

• Unord­nung entsteht schnel­ler als Ordnung herge­stellt werden kann.
• Die Wahrschein­lich­keit, dass Dinge unordent­lich werden, ist höher als umgekehrt.
• Die Entro­pie nimmt in geschlos­se­nen Syste­men konti­nu­ier­lich zu.
• Das Konzept der Entro­pie hat weitrei­chen­de Auswir­kun­gen auf die Thermodynamik.
• Die Diskus­si­on über das Ende der Entro­pie im Univer­sum ist ein zentra­les Thema in der Physik.

Fazit

Die Analyse der Entro­pie und ihrer Rolle in geschlos­se­nen Syste­men zeigt, dass Unord­nung unver­meid­lich ist. Trotz der Heraus­for­de­run­gen, Ordnung zu halten, ist es wichtig zu verste­hen, dass die Entro­pie in der Natur immer zunimmt. Dies hat nicht nur Auswir­kun­gen auf unseren Alltag, sondern auch auf die langfris­ti­ge Entwick­lung des Univer­sums. Die speku­la­ti­ve Frage, ob die Entro­pie eines Tages ihr Maximum errei­chen wird, regt zu weite­ren Überle­gun­gen an.

Ralphs Proble­me mit der Ordnung (0)

Das Video beginnt mit Ralphs persön­li­chen Erfah­run­gen im Umgang mit Unord­nung. Er reflek­tiert darüber, wie schwie­rig es ist, Ordnung zu halten, und die Energie, die nötig ist, um dies aufrecht­zu­er­hal­ten. Gleich­zei­tig wird auf die Tendenz zur Unord­nung verwie­sen, die durch den zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik unter­stützt wird. Ralph beschreibt, dass Unord­nung viel schnel­ler entsteht, als man aufräu­men kann, und erörtert die Heraus­for­de­run­gen, die damit verbun­den sind.

Unord­nung und Statis­tik: Wie verhal­ten sich Gasteil­chen in einer Kiste? (2:59)

Hier wird das Konzept der Unord­nung anhand eines Schreib­ti­sches und der Bewegung von Gasteil­chen erklärt. Ralph verdeut­licht, dass die Wahrschein­lich­keit, Dinge ordent­lich zu halten, mit der Zeit abnimmt. Ein Gedan­ken­ex­pe­ri­ment zeigt, wie sich Gasteil­chen in einer Kiste vertei­len und wie unwahr­schein­lich es ist, dass sie sich wieder gleich­mä­ßig anord­nen. Diese Beispie­le veran­schau­li­chen, dass Unord­nung eine natür­li­che Tendenz ist.

Entro­pie als Maß für Unord­nung? So „unordent­lich“ sind H2O-Molekü­le in Eis und in Wasser (5:09)

In diesem Kapitel wird die Entro­pie als Begriff einge­führt, der die ungeord­ne­te Bewegung von Teilchen beschreibt. Ralph erklärt, dass Ludwig Boltz­mann bedeu­ten­de Beiträ­ge zur Thermo­dy­na­mik geleis­tet hat und dass gefro­re­nes Wasser eine niedri­ge­re Entro­pie aufweist als flüssi­ges Wasser. Die Energie der Molekü­le und deren Bewegung spielen eine entschei­den­de Rolle bei der Bestim­mung der Entro­pie in einem System.

Rudolf Clausi­us erfand den Begriff „Entro­pie“ und den 2. Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik (6:18)

Hier wird der zweite Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik erläu­tert, der besagt, dass Wärme immer von einem warmen zu einem kalten Körper fließt. Ralph beschreibt, dass die Entro­pie in einem geschlos­se­nen System immer zunimmt oder gleich bleibt. Er erklärt, dass die Entro­pie den Grad der Energie­ver­tei­lung in einem System beschreibt und dass Systeme einen Zustand mit maxima­ler Entro­pie anstreben.

Wie kann man erken­nen, ob die Entro­pie ansteigt? (7:42)

In diesem Abschnitt wird erklärt, wie Entro­pie funktio­niert und warum sie in der Natur immer zunimmt. Ralph illus­triert dies mit alltäg­li­chen Beispie­len, wie dem Aufräu­men eines Schreib­ti­sches. Er betont, dass das Aufräu­men zwar die lokale Entro­pie senkt, aber die allge­mei­ne Entro­pie in der Umgebung erhöht. Die Diskus­si­on über die Entro­pie im Univer­sum und ihre langfris­ti­gen Auswir­kun­gen regt zum Nachden­ken an.

Entro­pie im Univer­sum (9:20)

Abschlie­ßend wird die Frage erörtert, wie die Entro­pie im gesam­ten Univer­sum funktio­niert und welche Konse­quen­zen dies für die Zukunft haben könnte. Ralph speku­liert, dass die Entro­pie eines Tages einen Zustand errei­chen könnte, in dem keine Verän­de­run­gen mehr möglich sind. Diese Überle­gung führt zu spannen­den Diskus­sio­nen über die langfris­ti­ge Entwick­lung des Univer­sums und die Rolle der Entro­pie im Laufe der Zeit.

Ralph Caspers hat es nicht so mit Ordnung halten. Und ganz ehrlich: Wer wünsch­te sich nicht, dass „Ordnung halten“ genauso einfach geht, wie es vorher unordent­lich gewor­den ist. Könnte da etwa die Physik mit ihrem Entro­pie-Konzept und dem 2. Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik helfen? 

Das testet Ralph in einem Experi­ment an seinem Schreib­tisch: Was macht Rütteln am Schreib­tisch mit der Ordnung darauf? Unord­nung anzurich­ten geht erst mal viel schnel­ler als aufzu­räu­men. Und das Aufräu­men wird umso aufwän­di­ger, je mehr Dinge sich auf dem Schreib­tisch befin­den. Aber warum kann durch Rütteln nicht auch Ordnung entste­hen? Müsste es nicht sogar möglich sein, dass die Stifte auf dem Schreib­tisch wieder auf den richti­gen Platz gerüt­telt werden?
Damit sind wir bei einem Gedan­ken­ex­pe­ri­ment, über das sich ab 1872 der öster­rei­chi­sche Physi­ker Ludwig Boltz­mann Gedan­ken machte: Da geht es um eine Kiste mit einer Trenn­wand, in der auf der einen Seite Gasteil­chen einge­sperrt sind. Was passiert, wenn man die Trenn­wand öffnet, zeigt euch Ralph im Video. Und auch, welche Auswir­kun­gen das für die Ordnung auf seinem Schreib­tisch hat und welche überra­schen­de Antwort Ludwig Boltz­mann damals gefun­den hat. 

Ein paar Jahre vor Boltz­mann führte der deutsche Physi­ker Rudolf Clausi­us (1822–1888) den Begriff der Entro­pie ein. Er fand auch heraus, dass sich Wärme immer von einem warmen Körper zu einem kalten Körper bewegt – und nie umgekehrt; zumin­dest solange es keine äußeren Einflüs­se gibt. Das ist auch bekannt als der 2. Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik. Früher hat man Entro­pie oft auch als „Maß für Unord­nung“ bezeich­net. Die Entro­pie nimmt zu, heißt also gleich­zei­tig: Die Unord­nung nimmt zu. Wie „Unord­nung“, Entro­pie und der 2. Haupt­satz der Thermo­dy­na­mik zusam­men­hän­gen, schaut sich Ralph am Beispiel von Wasser­mo­le­kü­len an: einmal in flüssi­gem Wasser und einmal in Eiswür­feln. Wo ist die Entro­pie höher? Und warum entste­hen Eiswür­fel nicht spontan aus Wasser?

In unserem Quarks-Video zeigen wir außer­dem, wie man selbst feststel­len kann, ob ein Prozess die Entro­pie anstei­gen lässt. Dafür schaut Ralph noch mal auf seinen unordent­li­chen Schreib­tisch, lässt Milch in Tee fließen und schießt auf eine Melone. Was die Ordnung auf dem Schreib­tisch angeht, muss Ralph aller­dings eine bittere Wahrheit akzeptieren…

Ob eines Tages vielleicht auch im Univer­sum die Entro­pie ihr Maximum erreicht haben wird? Das wird in der Wissen­schaft heiß disku­tiert. Denn das könnte bedeu­ten, dass irgend­wann – in einer weit entfern­ten Zukunft – alle Materie so fein verteilt ist wie Milch im Tee und sich dann nichts mehr ändert: Dann wäre alles dunkel und kalt…

*Kapitel*
0:00 Ralphs Proble­me mit der Ordnung
2:59 Unord­nung und Statis­tik: Wie verhal­ten sich Gasteil­chen in einer Kiste?
5:09 Entro­pie als Maß für Unord­nung? So „unordent­lich“ sind H2O-Molekü­le in Eis und in Wasser
6:18 Rudolf Clausi­us erfand den Begriff „Entro­pie“ und den 2. Haupt­satz der Thermodynamik
7:42 Wie kann man erken­nen, ob die Entro­pie ansteigt?
9:20 Entro­pie im Universum

Autoren: Axel Bach, Ralph Caspers
Schnitt und Grafik: Elke Baulig
Sound­de­sign: Florian Ebrecht
Reali­sa­ti­on: Ingo Knopf
Redak­ti­on: Nasibah Sfar, Wobbeke Klare

*Linktipps*
Was ist Entro­pie? — Science Slam
https://​www​.youtube​.com/​w​a​t​c​h​?​v​=​1​r​x​S​a​q​z​6​E4Y

*Unsere wichtigs­ten Quellen*
Rudolf Clausi­us: Ueber verschie­de­ne für die Anwen­dung bequeme Formen der Haupt­glei­chun­gen der mecha­ni­schen Wärmetheorie;
in: Viertel­jahrs­schrift der Natur­for­schen­den Gesell­schaft in Zürich, 1865
PDF: https://​www​.ngzh​.ch/​a​r​c​h​i​v​/​1​8​6​5​_​1​0​/​1​0​_​1​/​1​0​_​3​.​pdf

Rudolf Clausi­us: Zur Geschich­te der mecha­ni­schen Wärmetheorie;
in: Annalen der Physik, 1872
Abstract: https://​online​li​bra​ry​.wiley​.com/​d​o​i​/​a​b​s​/​1​0​.​1​0​0​2​/​a​n​d​p​.​1​8​7​2​2​2​1​0​107

Ludwig Boltz­mann: Über die Bezie­hung zwischen dem zweiten Haupt­satz der mecha­ni­schen Wärme­theo­rie und der Wahrschein­lich­keits­rech­nung respek­ti­ve den Sätzen über das Wärmegleichgewicht;
in: Sitzungs­be­rich­te der k. Akad. der Wissen­schaf­ten zu Wien, 1877
Nachdruck in: Wissen­schaft­li­che Abhand­lun­gen von Ludwig Boltz­mann, 1907
https://​phaidra​.univie​.ac​.at/​d​e​t​a​i​l​/​o​:​6​3​651

Entro­pie
H. Dieter Zeh, 2005 (ISBN-13: 978–3596161270)

The ‘Heat Death’ Of The Univer­se Isn’t Guaranteed
in: Noema, 2023
https://​www​.noema​mag​.com/​l​i​f​e​-​n​e​e​d​-​n​o​t​-​e​v​e​r​-​e​nd/

Physi­cists Rewrite the Funda­men­tal Law That Leads to Disorder;
In: Quanta Magazi­ne, 2022
https://​www​.quanta​ma​ga​zi​ne​.org/​p​h​y​s​i​c​i​s​t​s​-​t​r​a​c​e​-​t​h​e​-​r​i​s​e​-​i​n​-​e​n​t​r​o​p​y​-​t​o​-​q​u​a​n​t​u​m​-​i​n​f​o​r​m​a​t​i​o​n​-​2​0​2​2​0​5​26/

Hat dir das Video gefal­len? Dann abonnie­re jetzt den offizi­el­len Quarks-Kanal mit Ralph Caspers @DimensionRalph auf YouTube!
Besuche auch den offizi­el­len Quarks-Kanal auf YouTube: @Quarks

#Entro­pie #ralph­cas­pers #dimen­si­on­ralph