Entropie (Wärme)

Was genau ist der Energieträger Entropie? Ich hab gehört, dass Entropie zwar erzeugbar, aber nicht vernichtbar ist. Wie geht das, und was ist das für ein "Stoff"?
Ist Entropie die Energie, mit der Atome bewegt werden?
Ist Infrarot und Licht ein Entropieträger?

Zunächst einmal: Entropie ist kein Energieträger und kein Stoff, sondern eine thermodynamische Größe (ähnlich wie Temperatur, innere Energie oder Volumen).

Ok, das war der einfacht Teil :-) In der Tat ist Entropie wohl die am schwierigsten zu beschreibende Größe, weil sie weder unmittelbar auf unsere Wahrnehmung zurückgeführt werden kann (wie etwa Temperatur oder Volumen), noch eine Eigenschaft der einzelnen Teilchen ist, aus denen sich das System zusammensetzt (wie etwa Energie oder Geschwindigkeit).

Die Frage der Entropie kann man von zwei Richtungen aus angehen, einmal von der theromdynamischen Seite (da ist sie auch ursprünglich definiert worden), und einmal von der Seite der statistischen Mechanik (die die Thermodynamik vereinfacht gesagt auf die Bewegung der Atome zurückführt).

Von der thermodynamischen Seite her kommt sie aus der Problemstellung, wie man optimale Wärmekraftmaschinen baut (also z.B. Dampfmaschinen oder Ottomotoren). Der Punkt ist der: Eine Wärmekraftmaschine setzt letztlich Wärme in Arbeit um (die Wärme kommt meist aus der Verbrennung irgeneiner Substanz, z.B. Kohle oder Benzin). Andererseits verrichtet ein heißer Gegenstand, der einfach so an der Luft abkühlt, bekanntlich keine Arbeit (wenn man mal von ein wenig Konvektion absieht). Allgemein gilt, daß Energie nicht nutzbar ist, die beim Kontakt von zwei verschieden warmen Objekten übergeht. Das ganze kann man nun beschreiben, indem man annimmt, daß es etwas gibt, was beim Übertragen von Wärmeenergie mit übertragen wird, und das ist die Entropie. Und zwar gehört zum reversiblen Übertrag der Wärmeenergie W bei der Temperatur T (gemessen vom absoluten Nullpunkt) eine Entropie W/T. Das heißt, um dieselbe Energie bei höherer Temperatur zu übertragen, muß man weniger Entropie übertragen, als bei niedriger Temperatur. Nun will man bei einer Wärmekraftmaschine einen zyklischen Betrieb haben (d.h. nach einer Umdrehung ist die Maschine wieder im Ausgangszustand), damit man sie beliebig lange laufen lassen kann. Das heißt, man muß die Entropie, die mit der Energie aufgenommen wurde, wieder abgeben; das geht aber wiederum nur, indem Wärmeenergie abgegeben wird. Macht man das jedoch bei niedrigen Temperaturen, dann muß man für dieselbe Entropie nach obiger Formel weniger Energie abgeben, und damit bleibt eine Energiedifferenz übrig, die für Arbeit genutzt werden kann.

Ok, bis jetzt haben wir Entropie verschoben, aber noch keinen Entropieanwachs. Aber betrachten wir einmal, was passiert, wenn zwei unterschiedlich warme Objekte zusammenstoßen (die Betrachtung gilt aber in dieser Form strenggenommen nur dann, wenn der Wärmeübergang langsam genug ist). Nun, bekanntlich strömt Wärmeenergie vom wärmeren zum kälteren Körper (der kalte Körper erwärmt sich, der warme kühlt sich ab). Nun haben sie aber verschiedene Temperaturen, d.h. der warme Körper gibt mit derselben Wärmeenergie weniger Entropie ab, als der kalte Körper aufnimmt. Die Entropie hat hier also zugenommen. Umgekehrt würde die Entropie abnehmen, wenn die Wärmeenergie vom kälteren zum wärmeren Körper strömt – das kommt aber in der Natur erfahrungsgemäß nicht vor. In der Tat läßt sich zeigen, daß bei allen in der Natur beobachteten Prozessen die Entropie nur zunimmt, aber nicht abnimmt (der Idealfall einer gleichbleibenden Entropie, wie im vorherigen Absatz beschrieben, kann nur angenähert, aber nie ganz erreicht werden).

Ok, jetzt wissen wir, daß Entropie mit Wärmeenergie ausgetauscht wird, die maximale als Arbeit nutzbare Energie einer Wärmekraftmaschine bestimmt, und bei realen Prozessen zunimmt. Aber wir wissen noch nicht, was diese seltsame Größe eigentlich ist.

Betrachten wir hierfür die statistische Mechanik. Die statistische Mechanik führt ja vereinfacht gesagt die thermodynamischen Gesetze auf die Bewegung der Atome zurück. Nun stellen wir fest, daß zu einem (Gleichgewichts-)Zustand eines thermodynamischen Systems (gegeben durch Temperatur, Volumen, etc.) bei genauer Betrachtung eigentlich viele verschiedene Zustände gehören (einfaches Beispiel: Wir warten einen Moment: Der thermodynamische Zustand hat sich - da im Gleichgewicht - nicht verändert; allerdings sind alle Atome ein wenig weiter geflogen, und einige sind vielleicht auch zusammengestoßen und haben dabei ihre Flugrichtung und Geschwindigkeit geändert). Daher nennt man den thermodynamischen Zustand auch Makrozustand, und de detaillierten Zustand aller Atome Mikrozustand. Eine wesentliche Frage ist nun, wieviele Mikrozustände zu einem Makrozustand gehören. Und die Entropie gibt letztlich genau dies an! Allerdings ist die Entropie nicht die Zahl der Mikrozustände, sondern im wesentlichen der Logarithmus dieser Zahl. Da die Zahl der Mikrozustände auch als Maß für die Wahrscheinlichkeit des zugehörigen Makrozustands gesehen werden kann, besagt die Zunahme der Entropie nun einfach, daß das System wahrscheinlicheren Zuständen zustrebt. Das interessante dabei ist, daß die Zunahme der Entropie zu einer Wahrscheinlichkeitsaussage wird; d.h. es wäre im Prinzip auch denkbar, daß die Entropie mal abnimmt. Es ist aber so unwahrscheinlich, daß man es in der Praxis ausschließen kann (um zu sehen, daß ein zerbrochenes Glas sich von selbst wieder zusammensetzt und auf den Tisch hüpft, müßte man im Mittel eine Zeitspanne warten, gegenüber der das Alter den Universums vernachlässigbar gering ist).

Ok, nun zur konkreten Frage des Lichts: Das thermische Licht der Sonne hat durchaus eine Entropie (es hat auch eine Temperatur, die sogenannte Farbtemperatur). Daraus folgt übrigens auch, daß Solarzellen nicht beliebig effizient sein können, weil sie sonst den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (eben die Aussage, daß die Entropie nicht abnehmen kann) verletzen würden (man könnte damit ein Perpetuum Mobile zweiter Art bauen, indem man die abgestrahlte Energie eines glühenden Körpers per Solarzellen auffängt, mit einem Teil der Energie eine Wärmepumpe betreibt, um die vom Körper abgestrahlte Energie zu ersetzen, und den Rest hätte man dann zur freien Verwendung).

Ok, ich hoffe, Du kannst mit meinen Ausführungen etwas anfangen.