2/2012 - Sternwarte Calden Kassel

46 KORONA Nr. 115
Münzen, Würfel, Entropie
von Peter Ludwig
Eine Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff scheint unter normalen Bedingungen stabil.
Beide Gase existieren friedlich nebeneinander. Aber schon ein Funke oder eine Flamme
inti- iert die bekannte Knallgasreaktion unter Bildung von Wasser. Weniger bekannt ist,
dass die Reaktion schom bei bei Zimmertemperatur ausgeloest werden kann durch
bloßen Kontakt des Gasgenisches mit Platinpulver, das hier die Funktion eines
Katalysators hat.
Der umgekehrte Prozess, die Bildung der Gase durch Zersetzung des Wassers kann
nicht spontan ablaufen, sondern erfordert erheblichen Energieaufwand. Wie laesst sich die
Mög- lichkeit einer spontanen Reaktion beurteilen? Das thermodynamische Kriterium ist
die Entropie. Sie muss fuer das Gesamtsystem, d.h., fuer das eigentlichen
Reaktionssystem (z.B. das Reagensglas) und die Umgebung (z.B. das Labor) am Ende der
Reaktion groesser als am Anfang sein.
Der Entropiebegriff ist ein wenig abstrakt, da er, wie die Thermodynamik generell,
keine spezifische Vorstellung über den Stoffaufbau erfordert, sondern auf makroskopisch
beob- achtbaren Eigenschaften wie Volumen, Druck, Temperatur, Stoffmengen u.ä.
beruht. Geht man vom molekularen Bild der Materie aus, lassen sich die
thermodynamischen Begriffe veranschaulichen. Die theoretische Behandlung des
Zusammenhanges zwischen den Teil- cheneigenschaften und dem makroskopisch
beobachtbaren Verhalten großer Teilchenensem- bles ist Thema der Statistischen
Thermodynamik. Angesichts der enormen Teilchenzahlen typischer Systeme, zur
Erinnerung: 1 Mol enthält rund 6x10 23 Teilchen, scheint diese Auf- gabe zunächst
unlösbar. Es zeigt sich aber, daß gerade die enormen Teilchenzahl zu einer Lösung auf
statistischer Grundlage führt.
Das makroskopische Erscheinungsbild eines Vielteilchensystms spiegelt die Mittelwerte
der Teilcheneigenschaften wieder, wie deren elektronische Energie, Schwingungs-,
Rotations- Kinetische Energie und der Energie der intermolekularen
Wechselwirkungen,aber auch der raeumlichen Verteilung der Teilchen. Zum Beispiel, ist
die Temperatur die makroskopische Meßgröße, die mit der mittleren Kinetischen
Energie der Moleküle zusammenhängt. Ein anderes Beispiel ist die Wärmekapazität von
zweiatomigen Gasen, die unter anderem mit dem Anregungsgrad der
Molekülschwingungen und -rotation verbunden ist.
Alle diese Zustaende der Teilchen koennen in ueberaus mannigfaltiger Weise
kombinieren. Es stellt sich aber heraus, dass nur verhaeltnismaessig wenige der
moeglichen Kombinatio- nen mit so ueberwaeltigender Haeufigkeit auftreten und damit
am wahrscheinlichsten sind, dass das Teilchensystem im allgemeinen in solchen
beguenstigten, dominanten Konfigu- rationen zu finden ist. Durch Aenderung der