Irreversibilität

Entropie – das mephistophelische Prinzip?

Im Anschluss an meine Erinnerung an den „Erfinder“ der Entropie habe ich erstaunlich viele Reaktionen erhalten. In fast allen überwog der Gedanke, dass das Entropieprinzip doch als negativ einzuschätzen sei, weil es letztlich den Wärmetod der Welt bedeute. Ohne noch einmal auf die physikalischen Hintergründe zu sprechen zu kommen (das habe ich in an anderer Stelle getan), möchte ich ganz kurz einige Aspekte des ideengeschichtlichen Kontexts skizzieren, die vor allem zu der Zeit diskutiert wurden, als das Entropieprinzip in der Physik eingeführt wurde.
Wie kaum ein anderes physikalisches Konzept ist die Energie in die Alltagswelt der Menschen abgesunken. In Form von elektrischem Strom, Benzin und anderen Brennstoffen sowie im Zusammenhang mit den zugehörigen energietechnischen Einrichtungen hat die Energie inzwischen alle Lebensbereiche durchdrungen. Die Bedeutung der Energie über die Physik hinaus wurde schon sehr früh erkannt und der Aufbruchstimmung in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts gemäß zuweilen mit schwärmerischen Worten beschrieben. So verehrt beispielsweise der Physiker Felix Auerbach (1856 – 1933) „die Energie als Göttin, als Königin hier gebend und dort nehmend, im ganzen aber weder gebend noch nehmend, (die) sich über allem, was sich im unendlichen Raume, im Strome der dahinfließenden Zeit abspielt thront“. Aber es wird auch nicht übersehen, dass die Energie trotz ihrer Erhaltung von der Entropie bedroht wird. Sie ist für Auerbach „der Schatten, der böse Dämon, der zu beeinträchtigen, wenn nicht gar zu verderben suchen wird, was der strahlende Dämon (also die Energie, H. J. S.) in das Dasein an Großem: Schönem und Gutem hineinzutragen sich bemüht“ *. Schon bald ist vom Wärmetod der Welt die Rede, auf den wegen der Entropieerzeugung alles zustrebe.
Diese Auffassung bestimmt auch heute noch weitgehend die Einstellung zur Entropie. Dabei wird jedoch übersehen, daß nicht die in ihrer Quantität ewig unveränderliche Energie als treibende Kraft allen Geschehens anzusehen ist, sondern gerade der böse Dämon, die Entropie, die alles zugrundezurichten trachtet. Man wird an Goethes Mephisto erinnert, der die Hölle des Wärmetods auf ganz ähnliche Weise herbeizuführen versucht:
Ich bin der Geist, der stets verneint!
Und das mit Recht, denn alles was entsteht,
Ist wert, das es zugrundegeht. (Faust I)
Dabei wird sein Tun aber auch an anderer Stelle gewürdigt, indem resümiert wird, er sei
…ein Teil von jener Kraft,
Die stets das Böse will
und stets das Gute schafft…(Faust I)
Mit anderen Worten: Aufwertung, Ordnung, Struktur … ist nur durch Entwertung, Dissipation, Zerfall… möglich. Oder wie Goethe es in einem Gedicht Eins und Alles ausdruckstark formuliert hat:
Denn alles muß in Nichts zerfallen,
wenn es im Sein beharren will.
Darin kommt ein wesentlicher Zug unserer Existenz zum Ausdruck, den Voltaire in dem Satz
Tout est dangereux ici bas,
et tout est nécessaire“ (Zadig).
Mit anderen Worten: Das Leben wird aufrechterhalten durch das, was ihm auch tödlich werden kann.
Diese Aussage kann auch physikalisch durchaus wörtlich genommen werden. Dazu muss man sich nur vergegenwärtigen, daß beispielsweise die Atmung, eine der Lebensäußerungen schlechthin, einen Zerfallsprozess darstellt. Die Atmung bedingt, daß die organischen Nahrungsmittel (beispielsweise Glukose) in ihre anorganischen Bestandteile zerfallen und auf diese Weise die Lebensvorgänge des Organismus in Gang halten:

[CH₂0]₆ + 6 0₂ –> 6 H₂0 + 6 C0₂ + Energie.

Das funktioniert natürlich nur so lange, wie dafür gesorgt wird, daß auch dieser Vorgang immer wieder in Form der Fotosynthese zurückgespult wird. Dafür ist grob gesagt der globale irreversible Zerfallsvorgang verantwortlich, aufgrund dessen Sonnenlicht (bei hoher Temperatur) auf die Erde fällt und diese schließlich (bei Umgebungstemperatur) wieder verlässt, eine Tatsache, die bereits Ludwig Boltzmann um die Wende zum 20. Jahrhundert erfasste:

Der allgemeine Daseinskampf der Lebewesen ist nicht ein Kampf um die Grundstoffe…, auch nicht um Energie, welche in Form von Wärme leider unwandelbar in jedem Körper reichlich enthalten ist, sondern ein Kampf um die Entropie, welche durch den Übergang der Energie von der heißen Sonne zur kalten Erde disponibel wird. Diesen Übergang möglichst auszunutzen, breiten die Pflanzen die unermeßliche Fläche ihrer Blätter aus und zwingen die Sonnenenergie…, ehe sie auf das Temperaturniveau der Erdoberfläche herabsinkt, chemische Synthesen auszuführen…Die Produkte dieser chemischen Küche bilden das Kampfobjekt für die Tierwelt.**

Der Zerfallsprozess (1) wird also zurückgespult:

Sonnenergie + 6 H₂0 + 6 C0₂ –> [CH₂0]₆ + 6 0₂ .

* Felix Auerbach. Die Weltherrin und ihr Schatten. -Jena: Fischer 1913, S.1
** Ludwig Boltzmann. Der zweite Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie. Leipzig 1905, S. 40

Zum 200. Geburtstag von Rudolf Clausius – Energie und Entropie

Heute vor 200 Jahren wurde der Physiker Rudolf Clausius (2. Januar 1822 – 24. August 1888) geboren. Er ist der „Entdecker“ der Entropie, einer physikalische Größe, die nicht nur von physikalischer Bedeutung ist, sondern letztlich als zentraler Begriff für die Beschreibung wesentlicher Aspekte der Energieproblematik gelten sollte. Leider kommt das meist nicht direkt zum Ausdruck, obwohl es helfen würde, den Umgang mit der Energie besser einzuschätzen.
Das Problem ist nämlich, dass die Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann – es ist eine Erhaltungsgröße. Die lebensweltlichen Erfahrungen mit der Energie sind scheinbar andere: Demnach geht Energie verloren. Denn man muss ständig neue Energie zum Heizen, für die Fortbewegung und viele andere Hilfsfunktonen im Alltag beschaffen und dementsprechend auch dafür bezahlen. Aber geht es uns beispielsweise mit dem Wasser, das uns per Wasserleitung ins Haus geführt wird genauso? Wir sprechen von Wasserverbrauch: Wasser wird für die verschiedensten Zwecke, zum Kochen, Waschen, Klospülen usw. verbraucht, ohne dass jemand der Meinung wäre, das Wasser würde verschwinden, vernichtet werden. Im Gegenteil, meist wird die Schmutzwasserbeseitigung dadurch berechnet, dass man den Wasserverbrauch an der Wasseruhr abliest.
Ganz ähnliche Erfahrungen machen wir mit dem Energieverbrauch, bei dem die Energie mengenmäßig erhalten bleibt und insofern qualitativ verändert wird, als sie nicht noch einmal für denselben Zweck zu gebrauchen ist. Hat sich meine Tasse mit heißem Tee abgekühlt, so wurde die Energie durch Wärme an die Umgebung abgegeben. Mir ist es dann nicht ohne Weiteres möglich die jetzt in der Zimmerluft befindliche Energie wieder in den Tee zurückfließen zu lassen. Der Energieverbrauch ebenso wie der Wasserverbrauch besteht darin, dass die Energie nicht noch einmal für denselben Zweck gebraucht werden kann. Sie wird entwertet. Es ist also neben der Erhaltung der Energie ein Begriff erforderlich, der die Entwertung bzw. die darin enthaltene Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) durch eine neue Größe zu erfassen.
Genau darin besteht das Verdienst von Rudolf Clausius, indem er die Energieentwertung mit Hilfe der Größe der Entropie erfasste, die fortan mit dem Buchstaben S bezeichnet wird. In einer berühmten Arbeit aus dem Jahre 1865 schreibt er in diesem Zusammenhang: „… so schlage ich vor, die Größe S nach dem griechischen Worte , die Verwandlung, η  τροπή, die Verwandlung, die Entropie des Körpers zu nennen. Das Wort Entropie habe ich absichtlich dem Worte Energie möglichst ähnlich gebildet, denn die beiden Größen, welche durch diese Worte benannt werden sollen, sind ihren physikalischen Bedeutungen nach einander so nahe verwandt, daß eine gewisse Gleichartigkeit in der Benennung mir zweckmäßig zu seyn scheint“.
Er schließt seinen Aufsatz mit der den Worten, dass „man die den beiden Hauptsätzen der mechanischen Wärmetheorie entsprechenden Grundgesetze des Weltalls in folgender einfacher Form aussprechen kann.
1) Die Energie der Welt ist constant,
2) Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.“*
Den 2. Hauptsatz der Thermodynamik oder der Entropiesatz, wie man ihn heute bezeichnet, besagt also, dass die beim Umgang mit der Energie auftretende Energieentwertung nur zunehmen, nicht aber abnehmen kann.

Wer es etwas genauer informiert werden möchte, den verweise ich auf frühere Beiträge (z.B. hier und hier und hier).

* Rudolf Clausius. Über verschiedene für die Anwendung bequem Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Analen der Physik und Chemie Band CXXV 7, No. 7  (1865) S. 353 – 400

Wege 15: Seinen Weg verfolgen

Wer von uns kann, wenn er sich auf seinem Wege umdreht,
auf dem es keine Rückkehr gibt, sagen, er habe ihn verfolgt,
wie er ihn verfolgt haben mußte?

Fernando Pessoa. Das Buch der Unruhe. Frankfurt 1987

Zum Glück gibt es ganz reale Wege, die aus der passenden Perspektive auch noch schön aussehen und nicht nur die Rückkehr ermöglichen, sondern auch viele Möglichkeiten eröffnen, sein Ziel zu erreichen.

Die Unumkehrbarkeit von Ringwellen

Jeder hat Erfahrungen mit größer werdenden Kreisen. Dafür genügt es schon, daß er Zeuge war, wie ein Stein in ein Wasserbecken fiel. aber niemand hat Kreise gesehen, die vom Horizont ausgegangen und in ihrem eignen Mittelpunkt verschwunden sind.

Caillois, Roger (1913 – 1978): Steine. München 1983.

An einem scheinbar rein mechanischen Beispiel kommt in dieser schlichten Feststellung die Irreversibilität natürlicher Vorgänge zum Ausdruck. Irreversibiltität als Ausdruck des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik gilt nicht nur in der Thermodynamik im engeren Sinne. Vielmehr ist die reibungsfreie Mechanik, wonach die Ringe am Ufer reflektiert wieder zurückkommen  und der Stein wieder aus dem Wasser hochschnellt, eine extreme Idealisierung der Wirklichkeit – ohne die allerdings die Entwicklung einer quantitativen physikalischen Beschreibung der Welt im neuzeitlichen Sinne nicht möglich und denkbar wäre. Erst vor dem idealen Hintergrund einfacher physikalischer Gesetzmäßigkeiten lässt sich die wirkliche Welt in definierten Abweichungen von der Idealität physikalisch beschreiben.

Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften/ Physik 49/2 (2000); 2-6. 

Geht man davon aus, dass es zu den allgemeinen Zielsetzungen des Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, dass Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: physica didactica 12/2, 35 (1985).

Die übliche Einführung der Entropie als Erhaltungsgroße bei reversiblen Vorgängen verschleiert ihre Bedeutung bei der Beschreibung alltäglicher Erfahrungen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Entropie als Maß für die Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) oder auch für den Antrieb natürlicher
Vorgänge wie eine Grundgröße einzuführen. Bei der völlig analogen Behandlung von chemischen Reaktionen und physikalischen Reibungsvorgängen erweist sich der so eingeführte Entropiebegriff als mögliches starkes Bindeglied zwischen Chemieund Physikunterricht. Wegen ihres weitgehend qualitativen Charakters gehört ein Teil der Überlegungen bereits in den Unterricht der Sek.I.

PDF: Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

Zur Geschichte der Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. Der Physikunterricht 18/3, 5-13 (1984).

Die Hauptentwicklungslinien des phänomenologischen Irreversibilitätskonzepts werden aufgrund historischer Quellen dargestellt. Dabei liegt das Augenmerk auf der Erörterung der verschiedenen Artikulationen, die die Irreversibilität im Laufe ihrer Geschichte erfahren hat.

PDF: Zur Geschichte der Irreversibilität

Entropie und Exergie: Zwei Größen zur Beschreibung von Irreversibilität und Energieentwertung

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der Physikunterricht 18/3, 41-57 (1984).

Die in dem vorangegangenen Aufsatz (Schlichting et al. 1984) zu einem qualitativen physikalischen Begriff gewordene Vorstellung von der Energieentwertung wird mit Hilfe der Additivitätsforderung zu einer quantitativen Größe verschärft, die die Irreversibilität von selbständigen Prozessen beschreibt. An Beispielen werden die Möglichkeiten zur Abschätzung und Messung dieser Größe gezeigt und der Zusammenhang mit der absoluten Temperatur abgeleitet. Die Energieentwertung kann sowohl auf den Entropie, als auch auf den Exergiebegriff zurückgeführt werden. Ein Vergleich dieser beiden Größen zeigt, daß sich die Werte der Exergie besser als die der Entropie im Rahmen eines energetischen Wertkonzepts interpretieren lassen.

PDF: Entropie und Exergie: Zwei Größen zur Beschreibung von Irreversibilität und Energieentwertung

Die Einführung der Entropie als Irreversibilitätsmaß – Begriffsbildung und Anwendung auf einfache Beispiele

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 34/5, 282 (1981).

Im Unterschied zur üblichen Entropieeinführung wird hier ein Begriffsapparat entwickelt, mit dem es möglich ist, die Entropie ohne Kenntnis der Thermodynamik idealer Gase als Maß für die Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) natürlicher Vorgänge zu begreifen. Die Autoren hoffen, dadurch ein Verständnis der Entropie in der Schule zu ermöglichen, das der übergreifenden Bedeutung dieses Konzeptes gerecht wird.

PDF: Die Einführung der Entropie als Irreversibilitätsmaß – Begriffsbildung und Anwendung auf einfache Beispiele

Die Unumkehrbarkeit natürlicher Vorgänge, Phänomenologie und Messung als Vorbereitung des Entropiebegriffs

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 34/3, 153 (1981).

Es wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die breite lebensweltliche Basis des Entropieprinzips, die sich z. B. in der Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) solcher Vorgänge wie Lösen von Zucker in Tee oder Ausströmen von Luft aus einem Reifen manifestiert, zum Ausgangspunkt der Entropieeinführung zu wählen. Dadurch wird es möglich, die Entropie qualitativ bereits in der Sekundarstufe I zu behandeln. Sie eröffnet dort zusammen mit dem Energiebegriff den Weg zum Verständnis vieler Probleme der »Energie« und Umweltkrise.

PDF: Die Unumkehrbarkeit natürlicher Vorgänge, Phänomenologie und Messung als Vorbereitung des Entropiebegriffs