Entropie (S) is een thermodynamische grootheid voor gassen zoals temperatuur en druk dit ook zijn.

Het is een maat voor de (statistische) wanorde in een systeem, die gelijkmatig over het systeem is verdeeld. Als dat initieel niet zo is, dan zal uiteindelijk het systeem zich "uitmiddelen".

De 2e wet van de thermodynamica (en "wet" is hier bedoeld als waargenomen gedrag dat tot heden altijd zo is waargenomen en nooit anders) zegt feitelijk dat elk systeem in evenwicht een toestand van maximale entroptie (of chaos) heeft.  

Dus voor positie niet alle gastomen in een hoekje bij elkaar (mogelijke toestand, zeer geordend en lage entroptie, maar uiterst onwaarschijnlijk) maar gelijkelijk verdeeld over de ruimte. Idem voor temperatuur, snelheid enz.

 

Entropie is een van de moeilijkere begrippen binnen de thermodynamica. De uitleg gebaseerd op "wanorde" wordt vaak gegeven, maar zelf vind ik die niet zo bevredigend. Ik zal proberen een eenvoudig, macroscopisch voorbeeld te geven van een andere interpretatie, wat hopelijk tot meer inzicht leidt.

Je kent vast de wet van energiebehoud: energie raakt nooit verloren. In de praktijk is dit niet het hele verhaal: in veel processen verliezen we de mogelijkheid iets nuttigs te doen met de energie. Dit is waar entropie komt kijken. Entropie is een maat voor het verloren gaan van de mogelijkheid arbeid te verrichten.

Een simpel voorbeeld is te bedenken voor een warmtemachine (bijvoorbeeld een stirling motor of een stoom turbine). Deze gebruikt een warmteverschil om arbeid te leveren.

Stel, wij hebben een bak met ijswater en een bak met heet water. Hier kunnen wij onze warmtemotor laten lopen, totdat na een tijdje beide bakken dezelfde temperatuur hebben. Onze warmtemotor heeft in die tijd arbeid geleverd.

Stel dat we nu onze bak met ijswater en heet water aan het begin van het experiment bij elkaar gooien. Er gaat geen energie verloren, maar toch zal onze warmtemotor nu niet meer werken! We hebben dus de mogelijkheid verloren om arbeid te onttrekken aan ons systeem. Het mengen van het water heeft dus geleid tot een verhoging van de entropie.

Maakt dit dingen wat duidelijker?

 

Bij deze aanvulling kun je ook de 2e hoofdwet vrijelijk omschrijven als "de tijd gaat maar 1 kant op: vooruit. De richting van een toestand van maximale entropie".

Dat houdt in dat het heelal uiteindelijk een (nogal koude) warmtedood zal sterven omdat alle energie die wordt gebruikt bij elke omzetting een beetje in niet-herbruikbare warmte omzet en uiteindelijk alle energie in warmte is omgezet.

Ongeordende systemen (hoge entropie) hebben een lagere energietoestand en zijn daardoor in het voordeel:

- een bal rolt van een heuvel af (nooit erop) zodat de zwaarte energie afneemt, de kinetische energie die ontstaat uiteindelijk in wrijving en luchtweerstand geheel "verloren" gaat in entropie toename

- koffiemelk in de koffie gooien kost minder energie dan deze melk er weer uithalen: meer entropie (en alleen op film kun je de tijd achteruit laten gaan om de melk weer in het pak te krijgen)

- ditto voor explosies en verbrandingen. Wel spontaan 1 kant op, maar niet de andere kant op.

Entropie is dat je in een bijna lege metro niet vlak naast de enige andere passagier gaat zitten. Maar dan met moleculen in plaats van mensen en een afgesloten ruimte ipv de metro.

Bij vanzelf verlopende processen neemt de entropie (maat voor chaos) toe.

Hoe is het dan mogelijk dat er op aarde leven is ontstaan, dat er een evolutie heeft plaatsgevonden resulterend in een steeds grotere variatie en steeds hoger georganiseerde levende wezens, tenslotte de mens die zich als enige van het voorgaande bewust is?

De entropie als geheel neemt toe in het heelal.

Maar lokaal kan het afnemen door organisatie. Zoals het vormen van een lichaam. Of door een ongesorteerde stapel appelen op soort te sorteren. Dat ordenen kost wel meer energie dan er een chaos van te maken door de stapels door elkaar te gooien.

Ongesorteerd heeft een lager energie-niveau. Het heelal gaat uiteindelijk voor chaos - dat is een lagere energie toestand.
Maar lokaal kan er energie gestoken worden in het organiseren.