Hoofdbanner

Zo'n tien jaar geleden, tijdens de colleges Thermodynamica en Relativiteitstheorie die ik in Nijmegen gaf, viel me weer op hoe gretig studenten ogenschijnlijk moeilijke onderwerpen tot zich nemen. Het herinnerde mij aan mijn eigen studententijd, toen ik o.a. in vervoering kon raken van Thermodynamica. Een geweldig vak. De zelfgemaakte reader van onze professor, de sympathieke dr. Botzen, lees ik nog altijd met bewondering door. Wat een schoonheid van afgeronde en sluitende wiskunde. Rond 1880 voltooid en nog altijd onomstreden (m.a.w. geen moderne quantummechanische speld tussen te krijgen).
Zoals de drie manieren waarop de beroemde Tweede Hoofdwet van de thermodynamica wordt beschreven. Het grijpt regelrecht in op studierichtingen als sociologie en filosofie.

Deze manieren zijn:

1. Warmte stroomt van een plek met hogere temperatuur naar een plek met lagere temperatuur en kan nooit spontaan in tegenovergestelde richting lopen.

2. Geen enkele irreversibele motor, werkend tussen twee reservoirs met ieder een constante temperatuur, heeft een groter rendement dan een reversibele motor, werkend tussen dezelfde temperaturen. Ofwel, alle reversibele motoren hebben hetzelfde rendement. Deze tweede uitleg van de Tweede Hoofdwet wordt wel het Carnot-principe genoemd.

3. De totale entropie van het universum verandert niet bij een reversibel (= omkeerbaar) proces en neemt toe zodra een proces irreversibel (= onomkeerbaar) is.

Het voert te ver door om op de eerste 2 manieren in te gaan. Wie daarover meer wil weten, leest bijvoorbeeld:
Richard Feynman - Lectures on physics
Cutnell & Johnson - Introduction to physics (de 7e druk met harde kaft is helaas niet meer te krijgen, wel de vernieuwde 8e druk)Giancoli - Physics for scientists and engineers
Jewett & Serway - Physics for scientists and engineers (dit boek gebruiken we op de Radboud Universiteit)

De derde manier is niet alleen voor fysici interessant. Het begrip entropie spreekt namelijk iedereen aan. Wat is entropie?
Je kunt het het best omschrijven als wanorde. Chaos, zullen sommigen zeggen. Dat kan ook. Het tegenovergestelde van entropie is orde.
Het is zo dat in een irreversibel proces de entropie toeneemt. Wanneer je weet dat elk proces binnen een systeem irreversibel is, omdat er altijd sprake is van wrijving, dan valt te concluderen dat in het universum (dat je kunt beschouwen als één gesloten systeem) de entropie steeds maar toeneemt. De chaos in de wereld wordt dus steeds groter. Dat is een natuurkundig gegeven.

Een voorbeeld van een irreversibel proces: het ontploffen van een bom. Wanneer de bom uit elkaar geknald is, zul je van alle brokstukken nooit meer een bom kunnen maken. Het proces kan wel de ene kant op, richting ontploffing, maar niet meer terug, richting de bom. Dat maakt het proces irreversibel.
Dit is wel een extreem voorbeeld. Simpeler in de praktijk is bijvoorbeeld het maken van een legpuzzel*, of het opruimen van je kamer, of het wieden van het onkruid in je tuin. Wanneer je niets doet, is er wanorde. Sterker, door niets te doen, wordt de wanorde groter.
Wanneer je orde wilt aanbrengen, kost dat energie. Lichaamsenergie, wat je weer haalt uit voedsel, dat weer groeide op vruchtbare grond, daar de noodzakelijke voedingsstoffen uit haalde etc.

Wanneer je je kamer opruimt, wordt de entropie daar minder, er is immers minder chaos. Maar ergens anders, in de voedselketen, in de arbeid die verricht moest worden om jou die lichamelijke energie te geven, neemt de wanorde (de entropie) juist toe. Die toename op één plek is altijd meer dan de afname op een andere plek. Dat zegt de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica.
Het houdt ook in: chaos laten ontstaan is veel gemakkelijker dan orde aanbrengen. En ook: de totale chaos zal, met wat voor inspanningen ook, altijd toenemen. Belangrijk o.a. om te weten voor politici.

Voor het heelal houdt dit in: wanorde vertaalt zich in beweging. Hoe meer wanorde, des te meer beweging. De temperatuur van een voorwerp is een maat van de trilling van de moleculen waar dat voorwerp uit bestaat. Of beter gezegd, van de kinetische energie van de moleculen.
Wanneer de entropie van het heelal dus toeneemt (en dat gebeurt ook volgens onderzoek) zullen alle moleculen in het heelal sneller gaan bewegen, heftiger trillen en zal de temperatuur geleidelijk omhoog gaan. Dit als uitvloeisel van het feit dat alle processen in de natuur per definitie niet omkeerbaar zijn.
Uiteindelijk (heel erg ver in de toekomst) zal het heelal een warmtedood sterven. Hoewel dat nog wel een tijdje zal duren (de gemiddelde temperatuur is momenteel gemiddeld 2 K, startend bij de Big Bang vanaf 0 K).
Maar pas op, ook dit is weer een model, passend in het paradigma waarin wij onze kennis momenteel opdoen. Voorzichtigheid in het trekken van eenduidige conclusies is zoals altijd geboden.

*Het maken van een legpuzzel lijkt in eerste instantie op een reversibel proces. Je kunt de puzzel uit elkaar halen en weer in elkaar zetten. Maar, de energie die dat vraagt, het voedsel dat je daarvoor gegeten hebt, kan nooit meer in de oorspronkelijke toestand teruggebracht worden. Dat maakt het proces toch weer irreversibel.

  • 0 # Wilfried HENDRICKX 02-juni-2021 @11:25
    Geachte Heer / Beste Fred,
    U schrijft: 'Uiteindelijk (heel erg ver in de toekomst) zal het heelal een warmtedood sterven. Hoewel dat nog wel een tijdje zal duren (de gemiddelde temperatuur is momenteel gemiddeld 2 K, startend bij de Big Bang vanaf 0 K).'
    Klopt dit wel? Ik heb altijd geleerd dat de temperatuur in de eerste splitseconde van de oerknal 'biljoenen graden heet' was en dat het heelal, tijdens de inflatie, enorm afkoelde en steeds verder zal afkoelen.
    Graag uw mening hierover.
    Met vriendelijke groet,

    Wilfried Hendrickx
    Antwoorden | Antwoorden met citaat | Citeer
    0 # Fred 03-juni-2021 @09:36
    Beste Wilfried,
    Er is een verschil in warmte en temperatuur. Warmte is een vorm van energie met als eenheid joule. Temperatuur is een mate van gemiddelde trilling van atomen en moleculen, uitgedrukt in K (kelvin). Als er geen atomen en moleculen zijn, zoals in vacuüm, kun je niet spreken van een temperatuur. Ook een enkel atoom heeft geen temperatuur. Volgens het model van de oerknal was de begintemperatuur kortstondig inderdaad waanzinnig hoog, vanwege de enorme dichtheid van de materie (die zich in één punt bevond). Wat we nu meten als temperatuur in het heelal is die van de achtergrondstraling (als gevolg van de oerknal), niet die van het heelal zelf. Dat is het eerste misverstand.
    Verder, je kunt energiesoorten in rangen en standen verdelen. Warmte is dan de energiesoort met de laagste rang. De overgangen gaan van boven naar beneden. Bijvoorbeeld, je rijdt in een auto. Er is chemische energie door de benzine, er is bewegingsenergie ten gevolge van je snelheid, er is wrijvingsenergie in de vorm van warmte. Bij elk proces ontstaat warmte, een rendement van 100 % bestaat niet. Uiteindelijk zullen alle vormen van energie in die van warmte overgaan. Van warmte kun je niet meer terug omhoog, naar chemische energie of bewegingsenergie zonder daar extra energie tegenaan te gooien. Dat wordt bedoeld met warmtedood. Dat alle energievormen uiteindelijk in (niet meer bruikbare) warmte worden omgezet.
    Een paradox: plaatselijk (waar zich veel materie bevindt) zal de temperatuur toenemen, maar het (uitdijende) heelal zal afkoelen, omdat de achtergrondstraling geleidelijk afneemt. Tegelijkertijd zal het heelal (heel ver in de tijd) een warmtedood sterven. Alle hogere energievormen zijn dan omgezet in warmte. Een terugweg is niet mogelijk.
    Antwoorden | Antwoorden met citaat | Citeer