Entropie II

S = k log W
Definition der Entropie
Grabinschrift von Ludwig Boltzmann

Albert Einstein nannte das Entropiegesetz das "erste Gesetz aller Wissenschaften", Arthur Eddington das "erhabene metaphysische Gesetz des gesamten Universums", Christian Schütze "Das Grundgesetz vom Niedergang".

Erster und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

1. Hauptsatz, Energie-Erhaltungssatz
"Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt konstant." Energie kann weder geschaffen noch vernichtet werden. Wenn wir in der Alltagssprache davon reden, dass wir Energie verbraucht haben ("diese Lampe verbraucht zu viel Strom"), heißt das streng genommen nur, dass wir die Qualität der Energie verändert haben, während sich die Menge der Energie nicht verändert hat. Wir haben, wenn die 100-Watt-Lampe 10 Stunden gebrannt hat, 1 kWh Strom "verbraucht", d.h. dass wir 1 kWh hochwertige elektrische Energie in Umgebungswärme verwandelt haben, die Raumtemperatur ist durch die brennende Lampe unmerklich wärmer geworden. Mit dieser erhöhten Raumwärme können wir nichts mehr anfangen, wir können sie z.B. nicht mehr in 1 kWh Strom zurückverwandeln. Dazu wäre eine Temperaturdifferenz notwendig. In dem geschlossenen System, von dem wir hier sprechen, ist die Temperatur jedoch überall gleich, weil sich die Energie in Form von Wärme gleichmäßig verteilt hat. Aber damit sind wir schon beim

2. Hauptsatz
Bleiben wir bei der Wärme, um den Ersten und den Zweiten Hauptsatz noch einmal in ihrem Zusammenhang durchzuspielen. In der Wärme steckt ja offenbar eine Energieform. Wenn man Wasser so stark erhitzt, dass es verdampft, kann man mit diesem Dampf eine Dampfmaschine antreiben und damit z.B. ein Fahrzeug oder ein Schiff fortbewegen.

Die Energie, die in der Wärme steckt, hängt von ihrer Temperatur ab. Mit kochend heißem Wasser kann man einen Tee aufbrühen, aber wenn der Tee langsam in der Tasse erkaltet, wird die Energie an die umgebenden Luftmoleküle abgegeben. Die Luft wird sich um ein Bruchteil eines Grades erwärmen - aber nicht nur spüren wir nichts davon, wir können vor allem den Vorgang nicht mehr rückgängig machen - ohne eine Menge Energie (z.B. Wärme mit höherer Temperatur) aufzuwenden. Beim Abkühlen des Tees geht also etwas verloren - nicht Energie, da ist der Erhaltungssatz vor, aber, man könnte sagen, Qualität der Energie, ihre Fähigkeit, Arbeit zu leisten.

"Es ist, als würde bei einer solchen Umwandlung vom Heißeren zum Kühleren etwas entstehen, was die Wärmeenergie gewissermaßen entwertet - und durch nichts mehr wegzukriegen ist.

Dieses Etwas nannte Clausius die Entropie, nach dem griechischen Wort „tropê“ für "Umwandlung". Die klangliche Ähnlichkeit zu "Energie" ist kein Zufall. Denn wie diese dem Energieerhaltungssatz gehorcht, den Thermodynamiker auch "Ersten Hauptsatz der Wärmelehre" nennen, so folgt die Entropie einem zweiten ebenso grundlegenden Satz: In geschlossenen Systemen, die mit ihrer Umgebung weder Energie noch sonst etwas austauschen, kann die Entropie niemals abnehmen.

Wie die Energie ist Entropie eine mengenmäßige Größe, die von einem Ort zum anderen strömen kann. Wie die Energie kann sie nicht zerstört werden: Um die Entropie irgendeines Körpers zu erniedrigen, muß man sie woandershin pumpen." (Ulf von Rauchhaupt, Entropie, in: faznet Wissen, Physik und Chemie)

Die Entropie ist in der statistischen Thermodynamik ein Maß für den Zufallsgrad der Elementanordnung in einem geschlossenen System. Gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik kann die Entropie in einem isolierten System nicht abnehmen; sie bleibt konstant bei reversiblen Zustandsänderungen der Elemente und wächst bei irreversiblen. Da nun Energietransformationen nur im Idealfall umkehrbar sind, erreicht ein sich selbst überlassenes, abgeschlossenes System irgendwann einen wahrscheinlichsten Zustand, bei dem sich die gesamte Energie in Wärmeenergie verwandelt hat und auf alle Elemente gleichmäßig verteilt ist. (Krieg 1971: 50)

"Alle natürlichen und technischen Prozesse sind mit Energieumwandlung und Entropieproduktion verbunden ... In dem von jedem System angestrebten thermodynamischen Gleichgewicht wird jeder zugängliche Mikrozustand mit derselben Wahrscheinlichkeit eingenommen. In diesem Sinne ist die Entropie ein Maß für Zufälligkeit oder Unordnung [randomness]. Müll bezeichnet ein mehr oder weniger wertloses Durcheinander von Dingen. Der entropische "Müll" enthält auch wertlose Energie, genannt Anergie, d.h. Wärme bei Umgebungstemperatur. Entropieproduktion beim Streben eines Systems ins thermodynamische Gleichgewicht ... verschlechtert den wertvollen, arbeitsfähigen Teil der Energie, die Exergie, zu Anergie und ist in der Regel mit einer Ausbreitung von Stoffen im Raum verbunden" (Kümmel 1996: 11).

Energie ist das, was die Welt in Bewegung hält – genauer gesagt: die Umwandlung der Energie von einer wertvollen (konzentrierten, freien, arbeitsfähigen) in eine wertlose (ausgelaugte, gebundene, verdünnte) Form. Diese Präzisierung berücksichtigt die Tatsache, dass Energie nicht – wie der Sprachgebrauch suggeriert – verbraucht werden kann (s.o. 1. Hauptsatz der Thermodynamik, Erhaltungssatz). Man könnte das vergleichen mit dem Wasser, das von einem Berg herabfließt und auf dem Weg viele Mühlen, Sägewerke, Hammerwerke und Generatoren antreiben kann – bis es, in einem tiefliegenden See oder dem Meer angekommen, alle seine Antriebsenergie (potentielle Energie) verbraucht hat und zur Ruhe kommt. Von dem Wasser selbst ist dabei nichts verbraucht worden.

Bei allen Veränderungen ist Energieumwandlung im Spiel, und Energieumwandlung bedeutet immer auch Entropieproduktion, das heißt die gleichmäßige Verteilung von Wärme (Abwärme) und die Verteilung von Stoffen (Abfälle) im Raum. Wenn alle Energie umgewandelt ist und alle Stoffe gleichmäßig verteilt sind, wenn es also keine lokalen Konzentrationen von Wärme oder von Stoffen mehr gibt, kommt das System zur Ruhe, und zwar endgültig ("Wärmetod").

Die Erde scheint nun, im Gegensatz zu allen anderen Planeten, dieser Naturgesetzlichkeit zu widersprechen. Hier gibt es riesige Temperaturunterschiede zwischen tropischen und polaren Zonen, und zwar dauerhaft. Hier gibt es energiereiche Gase in der Atmosphäre, wie Methan, das in Gegenwart von Sauerstoff in kürzester Zeit verschwinden müsste. Hier gibt es, kurz gesagt, Leben. Lebende Organismen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in dem von ihnen eingenommenen Raum die Entropie verringern können. Das heißt, dass sie die Entropie, die bei der für das Leben notwendigen Energieumwandlung in ihrem Inneren entsteht, nach draußen in ihre Umgebung verlagern können. Nun würde die Biosphäre an dieser Entropievermehrung zugrunde gehen – wenn sie nicht ihrerseits die Fähigkeit hätte, die Entropie zu entsorgen, und zwar indem sie sie in Form von Abwärme auf ihrer Nachtseite in den kalten Weltraum abstrahlt (s. Photonenmühle) – und somit die Entropie in ihrem "Herrschaftsbereich" verringert.

Heißt das, dass die Biosphäre der Erde und all die Lebewesen, die sich in ihr tummeln, gegen das Entropiegesetz, das nach Eddington "erhabene metaphysische Gesetz des gesamten Universums", verstoßen?

Wenn wir die Bedeutung des Entropiegesetzes für lebende Systeme verstehen wollen, müssen wir die nicht-lineare Thermodynamik heranziehen, die sich auf selbstorganisierende# System# bezieht.

Die nicht-lineare Thermodynamik, die von Ilya Prigogine in den 50er und 60er Jahren als das physikalische Erklärungsmodell für das Phänomen Selbstorganisation entwickelt wurde, ist die Antwort des letzten Jahrhunderts auf die ewige Frage "Was ist Leben?". In einem Buch mit diesem Titels hat Erwin Schrödinger 1944 die Frage prinzipiell beantwortet. Lebende Organismen unterscheiden sich von der unbelebten Natur dadurch, dass sie innerhalb ihrer Außengrenzen die Entropie verringern können. Gleichzeitig vermehrt sich die Entropie in ihrer Umgebung um den gleichen Betrag, womit dem universal gültigen Entropiegesetz Genüge getan ist.

Schrödinger bezeichnete die Entropieverringerung als negative Entropie; heute hat sich im englischen Sprachgebrauch low entropy eingebürgert, im deutschsprachigen Raum spricht man auch von Syntropie. Das in erster Linie physikalisch-chemische Theorem der Selbstorganisation, das sich aus diesem revolutionären Erklärungsmodell entfalten konnte, stellt die Erklärung von biologischen ebenso wie von gesellschaftlichen Prozessen auf eine neue Grundlage und erlaubt eine elegante Verknüpfung von wirtschaftlichen und physischen Vorgängen.

Syntropie - das ist, qualitativ gesehen, der Abstand vom thermodynamischen Gleichgewicht. Wenn sie sich als potentielle Energie darstellt, die in einem Wasserreservoir gespeichert ist, oder als chemische Energie, die in Kohle oder Erdöl steckt, kann man sie auch mit einem kommensurablen Maß (kWh, kcal, MJ) quantifizieren. Wenn es sich um ein Ökosystem handelt, kann man u.U. seine Biomasseproduktion pro Zeiteinheit in Zahlen angeben - aber damit hat man ja offensichtlich nur einen ganz begrenzten Aspekt der Gleichgewichtsferne des Systems erfasst. Was bei dieser eindimensionalen Maßzahl unter den Tisch fällt, ist die Fähigkeit des Systems, seine Position fern vom Gleichgewicht gegen Störungen zu verteidigen und aufrechtzuerhalten, ja diese Position erst einmal über die Zeit zu erreichen und gegebenenfalls (im gleichgewichtsfernen Raum, ohne ins Gleichgewicht zurückzustürzen) weiterzuentwickeln. Diese wesentliche Eigenschaft des Systems lässt sich prinzipiell nicht messen, ja nicht einmal erschöpfend beschreiben, weil selbstorganisierende Systeme fern vom thermodynamischen Gleichgewicht dadurch gekennzeichnet sind, dass ihr Verhalten nicht aus den Anfangsbedingungen abgeleitet werden kann. Für die Selbsterhaltungs- oder Regenerationsfähigkeit von Ökosystemen können wir also bestenfalls "defensive" Parameter angeben, d.h. Einflussgrößen, Immissionen, Entnahmen, die nicht überschritten werden dürfen, wenn das Funktionieren des Systems nicht gefährdet werden soll.

Wo immer und wann immer sich etwas bewegt oder von einem Zustand in einen anderen verwandelt wird, nimmt die Entropie zu: Hochwertige, arbeitsfähige Energie verwandelt sich niederwertige, die sich meistens in Form von Umgebungswärme manifestiert und keine Arbeit mehr leisten kann. Lebende oder allgemeiner gesagt selbstorganisierendee Systeme nutzen den Übergang von hochwertig zu wertlos, um komplexe, unwahrscheinliche Strukturen aufzubauen. Um dies zu ermöglichen, wird in der Regel ein abgeschlossener, selektiv offener Raum geschaffen (typische Vertreter: Zelle, Organismus), in dem die Entropie sinkt – zu Lasten der Umgebung, in der die Entropie in Form von Abwärme ansteigt. Bei lebenden Systemen wird die Abschließung typischerweise durch eine selektiv offene Membran gewährleistet. Lebende oder selbstorganisierende Systeme befinden sich auf Grund der im Verhältnis zu ihrer Umwelt reduzierten Entropie fern vom thermodynamischen Gleichgewicht (und verletzen damit scheinbar das Entropiegesetz).

Alle Systeme ebenso wie die Welt als Ganzes streben zum thermodynamischen Gleichgewicht. Das heißt, dass selbstorganisierende Systeme ständig daran arbeiten müssen, dass ihr Ungleichgewichtszustand (ihre Ferne vom thermodynamischen Gleichgewicht) erhalten bleibt. Falls sie dies unterlassen oder nicht tun können (z.B. durch Energiemangel oder durch das Fehlen der notwendigen strukturellen materiellen Stoffe für den Aufbau und den Erhalt der Abschließung), geraten sie in den allgemeinen Bereich der Entropievermehrung. Das heißt: Die komplexe, unwahrscheinliche Struktur löst sich auf zugunsten einer gleichmäßigen Vermischung aller Komponenten mit dem umgebenden Medium. In der Alltagssprache nennt man es Tod.

s.a. limited goods conception


 
 
 
 
 
 
AUSSTIEG AUS DEM CRASH