free hit counter

Maar wat is entropie dan wel? Entropie is een bepaalde eigenschap van een systeem zoals je de eigenschappen temperatuur of gewicht of volume of energie hebt. Een systeem kan hier van alles zijn: een pot met water, een thermosfles met een gas erin, een vat met een mengsel van vloeistoffen, gassen en vaste stoffen, een planeet, het zonnestelsel, alle zeewater op aarde, een boom, een hond, een kat, een olifant. Net zoals je de temperatuur of het gewicht van zoiets kunt meten of berekenen, kun je ook de entropie bepalen.

De entropie komt niet uit de lucht vallen. Men heeft de entropie gedefinieerd omdat men ontdekt heeft dat er in de thermodynamica een bepaalde eigenschap bestaat (die men dus entropie heeft gedoopt) die in een gesloten systeem nooit kan dalen. Een gesloten systeem is een perfect geïsoleerd en onvervormbaar systeem, bijvoorbeeld een onsamendrukbare, perfect geïsoleerde thermosfles. In dat systeem kunnen er allerlei chemische reacties plaatsvinden. De temperatuur kan hierbij stijgen of dalen, de druk kan stijgen of dalen, er kunnen allerlei chemische stoffen worden ontbonden of gevormd, zowel gasvormige als vaste als vloeibare en toch zal de entropie van dat gesloten systeem steeds stijgen, nooit dalen. En de entropie zal blijven stijgen tot er een evenwichtstoestand ontstaan is. Vanaf dan blijft de entropie gelijk.

De entropie is de sleutel tot de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Die tweede hoofdwet kun je op verschillende manieren formuleren. Je kunt bijvoorbeeld zeggen, zoals Clausius heeft gedaan, dat warmte altijd van een hoge temperatuur naar een lage temperatuur vloeit. Als je een blokje ijs in je whisky legt, dan zal de temperatuur van het ijs door de wamte van de whisky stijgen, waardoor het ijs water wordt, en de temperatuur van de whisky zal door de koude van het ijs dalen. De warmte vloeit dus van de warmere whisky naar het koudere ijs. Het zal nooit gebeuren dat de warmte van het ijs (want ook ijs heeft warmte!) naar de whisky vloeit waardoor het ijs nog kouder wordt en de whisky nog warmer. Dat laatste is niet verboden door de eerste hoofdwet van de thermodynamica (want de totale energie van het ijs en de whisky blijft gelijk) maar dus wel door de tweede hoofdwet van de thermodynamica.

Eigenlijk moet ik de formulering van hierboven een beetje nuanceren. Eigenlijk moet ik zeggen dat de tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt dat de warmte nooit zonder meer van iets kouds naar iets warms loopt. Warmte kan wel van iets kouds naar iets warms lopen, maar niet zonder meer, dat wil zeggen: spontaan. Warmte kan wel door een extern mechanisme gedwongen worden om van iets kouds naar iets warms te lopen. Gelukkig maar, want anders zou je je nooit een koelmachine, zeg maar een koelkast, kunnen voorstellen. In een koelmachine of koelkast laat je immers wel wamte van de koude koelkast naar de warme kamer lopen. Hierdoor wordt de inhoud van de koelkast koel gehouden. Maar je hebt wel een mechanisme nodig om dat te kunnen doen. In het geval van die koelkast ga je bijvoorbeeld een gas samenpersen en dan weer laten expanderen of uitzetten. Als je een gas samenperst, stijgt de temperatuur ervan. De temperatuur van dat gas is hierdoor hoger dan de kamertemperatuur. Hierdoor staat het gas spontaan warmte af aan de kamer. Je moet eens achter aan een koelkast voelen. Dan zie je wel wat ik bedoel. Het gas koelt dus af omdat het warmte aan de kamer afstaat. Door het afgekoelde gas daarna te expanderen (dat wil zeggen: te laten uitzetten), daalt de temperatuur van dat gas. Hierdoor is het gas nu kouder dan de koude in de koelkast. Dus vloeit de warmte van de koelkast spontaan naar het gas. Hierdoor wordt de koelkast kouder en het gas warmer. Dan pers je het gas weer samen, waardoor de temperatuur ervan stijgt en je de warmte aan de kamer kunt laten afstaan. Enzovoort, enzovoort. Je pompt als het ware de warmte van de koelkast naar de kamer. Het is dus een eindeloze cyclus en hierdoor kun je dus wel warmte van iets kouds naar iets warms laten vloeien. Je moet er wel een prijs voor betalen: je moet in die cyclus energie pompen. Je hebt namelijk een pomp nodig om dat gas samen te persen en te laten expanderen. En daarvoor heb je energie nodig, bijvoorbeeld elektrische energie.

Je kunt de tweede hoofdwet van de thermodynamica ook op een andere manier uitleggen, bijvoorbeeld zoals Kelvin en Planck hebben gedaan. Dan klinkt het zo: je kunt niet zomaar warmte (wat een vorm van energie is) in een andere energievorm omzetten, bijvoorbeeld in bewegingsenergie of elektrische energie. Hierdoor kun je bijvoorbeeld geen zelfwerkende koelkast maken. Je kunt dus niet de warmte die de koelkast afgeeft, gebruiken om de pomp van de koelkast aan te drijven. Met die warmte kun je weliswaar een bepaalde hoeveelheid elektriciteit maken, maar niet genoeg om de pomp van de koelkast te laten werken.

Je kunt daarom bijvoorbeeld ook geen trein maken die de warmte van de lucht gebruikt om te rijden. Zo een trein zou bijvoorbeeld aan de voorkant lucht naar binnen zuigen, uit die lucht de warmte halen, de resterende nu koude lucht aan de achterkant laten ontsnappen, en de warmte gebruiken om de trein te laten rijden en om het mechanisme aan te drijven dat de warmte uit de lucht haalt. Zo een trein zou heel handig zijn maar helaas. De tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt dat het niet kan. Zo een zelfwerkende koelkast of een zelfaandrijvende trein zou een perpetuum mobile van de tweede soort zijn. En zoiets kan dus niet bestaan volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica. En zo hebben we nog een derde manier om de tweede hoofdwet van de thermodynamica te formuleren: je kunt geen perpetuum mobile van de tweede soort maken.

03-12-2007, 07:56 geschreven door Marjoleine