Energiesatz und Entropie

Untertitel: Vergebliche Maschinenträume

Die Welt sähe anders aus, wenn es eine Energie erzeugende Maschine gäbe. Doch die Erfindung eines solchen Perpetuum mobile („das sich ewig Bewegende“) ist seit mehr als 800 Jahren ein Traum geblieben. Sämtliche Konstruktionsversuche, auch von klügsten Köpfen, wie Leonardo Da Vinci, sind gescheitert. Die Erklärung, warum es diese Maschine nicht geben kann, lieferte ironischer Weise ein Arzt: Robert Mayer.

Der Arzt Robert Mayer (1814-1878)

Er stellte beim Blutabnehmen in den Tropen fest, dass das venöse Blut (also das Blut, das zum Herz zurückströmt) dort heller und somit sauerstoff reicher ist als in Europa. Weniger Sauerstoffverbrauch bedeutet auch weniger Energieumsatz des Organismus. Das liegt dran, dass man in den Tropen weniger Körperwärme verliert. Der menschliche Körper liefert also chemische Energie nicht nur zur Umwandlung in kinetische Energie, sondern auch in Wärme. Mayer schloss daher folgerichtig, dass auch Wärme eine Form der Energie sein muss . Das brachte ihn auf die Idee, dass die Gesamtenergie generell konstant sein muss.

1842 formulierte Mayer den Energieerhaltungssatz:

Wenn also zum Beispiel bei Wasserkraftwerken von „Energieerzeugung“ gesprochen wird, dann handelt es sich genau genommen um die Umwandlung der potenziellen Wasserenergie in elektrische Energie. Und wenn man salopp von „Energieverbrauch“ spricht, meint man, dass Energie letztlich in Wärme umgewandelt wird, die leider als Energieform nicht mehr nutzbar ist.

Der Energiesatz ist längst ein Grundpfeiler der gesamten Physik geworden. Durch moderne Theorien wie Quantenmechanik oder Relativitätstheorie wurde er bestärkt. Heute wissen wir mit sehr großer Sicherheit, dass der Energiesatz für alle bekannten Naturvorgänge gilt. Ein Perpetuum mobile kann es nicht geben, weil dieses ja aus dem Nichts Energie herzaubern würde. Würdest du doch einmal eines erfinden, dann wäre dir der Nobelpreis sicher, und die Physik müsste völlig neu geschrieben werden. Mit dem Energiesatz kann man sehr viele Phänomene der Energieumwandlung erklären, aber nicht alle. Denk an den Tonklumpen in Abb. 9.18. Es würde den Energiesatz nicht verletzten, würde der Klumpen plötzlich wieder von der Wand springen. Auch die Bildfolge in 9.26 verletzt nicht den Energiesatz (F15). Die durcheinander gekommene kinetische Energie könnte sich ja wieder ordnen. Du weißt aber aus Erfahrung, dass so etwas nicht vorkommt. Es muss also neben dem Energiesatz noch eine andere Gesetzmäßigkeit geben. Wir müssen noch die so genannte Entropie mit einbeziehen. Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines System. Je größer die Unordnung, desto größer die Entropie.

Wenn man etwas sich selbst überlässt, wenn man also keine Energie aufwendet, dann kommt alles immer mehr in Unordnung. Um das zu überprüfen, brauchst du nur eine Zeit lang dein Zimmer nicht aufzuräumen (sag deinen Eltern, es ist ein physikalisches Experiment). Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung und wächst daher bis zu einem bestimmten (größten) Wert an. Dann sind nur mehr kleine Schwankungen wahrscheinlich (Abb. 9.30). Je größer die Abweichung von der maximalen Unordnung, desto weniger wahrscheinlich ist es.

Der Energiesatz verbietet also weder, dass der Tonklumpen wieder von selbst von der Wand springt oder dass Hausbauen durch Sprengung möglich ist Trotzdem wird beides ziemlich sicher nicht passieren, weil die Wahrscheinlichkeit praktisch null ist! Es könnte aber passieren. Nach und nach wandelt sich die gesamte Energie in Wärme um (Kap. 9.4). Wärme ist der Energiefriedhof, weil dann die größte Unordnung vorliegt. Man kann also auch sagen: Die Entropie des gesamten Universums strebt einem Maximalwert zu.