Was ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik?
Die drei Hauptsätze der Thermodynamik regeln den Transfer und das Verhalten aller Materie und Energie im Universum, wie es die Wissenschaft allgemein versteht. Zusammenfassend besagt das erste Gesetz, dass die Menge an Energie und Wärme in einem geschlossenen System konstant bleibt; Aus einem System kann nicht mehr Energie kommen, als hineingesteckt wurde. Dies knüpft an das Energieerhaltungsgesetz an, das besagt, dass Materie und Energie nicht erzeugt oder zerstört werden können. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eine der wichtigsten Grundlagen der Natur, die für den Pfeil der Zeit und die Irreversibilität der Natur verantwortlich ist.
Egal wie ideal ein System erscheinen mag, es gibt kein perfektes System. Ein Teil der elektrischen, thermischen oder mechanischen Energie geht durch Reibung verloren und wird in Abwärme umgewandelt. Dies bedeutet, dass mit der Zeit die Gesamtenergie eines Systems allmählich gegen Null geht, sofern keine externe Energie hinzugefügt wird. Das Ausmaß der Entropie oder Störung in einem System nähert sich dem Maximum, was bedeutet, dass in oder durch das System keine nützliche Arbeit geleistet werden kann, da seine Moleküle und Partikel zu unorganisiert sind. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Systeme in einem geordneteren Zustand zu Störungen neigen. Ein Eiswürfel in einem Glas Wasser schmilzt und erwärmt das umgebende Wasser leicht, wodurch sich die beiden Systeme im Gleichgewicht befinden.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik hat Vorrang vor dem ersten Hauptsatz. Während nach dem ersten Gesetz die Energieabgabe niemals die Energieabgabe überschreiten kann, kann nach dem zweiten Gesetz die Energieabgabe aufgrund des ständigen Energieverlusts und der Tendenz der Systeme, sich dem Gleichgewicht anzunähern, niemals der Energieabgabe entsprechen. Je weniger Energie ein System hat, desto mehr Entropie ist vorhanden, da es Energie benötigt, um die Ordnung wiederherzustellen und die Gesamtentropie zu verringern. Wenn die Energie in einem System ein Gleichgewicht erreicht, ist die Entropie maximal. Zum Beispiel, obwohl eine Tasse warmes Wasser von Natur aus abkühlt, wird konstant Wärmeenergie benötigt, um das Wasser auf einer wärmeren Temperatur zu halten.
Kosmologen orientieren sich am zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, um Theorien über das mögliche Schicksal des Universums zu erstellen. Die gängigste Theorie besagt, dass sich die Entropie des Universums, da es sich um ein geschlossenes thermodynamisches System handelt, dem Maximum annähert, wenn die Sterne ausbrennen und zu Schwarzen Löchern werden. Diese werden schließlich nach 100 Billionen Jahren verdunsten und das Universum für den Rest der Ewigkeit als sterilisierte Leere hinterlassen, wobei Quantenschwankungen vorbehalten bleiben.