Reader - Studium Generale

Hoofdstuk 5
Wetten van de wanorde
De tweede wet van de thermodynamica bepaalt dat bij alles wat gebeurt de entropie toeneemt (of in het
ideale geval, bij een reversibel proces gelijk blijft). Daarmee schrijft deze wet een richting voor aan de tijd,
namelijk die van toenemende entropie, en onderscheidt zij zich van alle andere natuurwetten. Volgens
alle wetten van de mechanica en het elektromagnetisme kan de tijd omkeerbaar zijn.
De vraag is hoe het mogelijk is dat een thermodynamische wet, die aangeeft hoe een systeem zich in de
tijd gedraagt, een richting kan leggen in de tijd, terwijl de wetten van de mechanica, die bepalen hoe de
individuele deeltjes zich gedragen waaruit datzelfde systeem bestaat, dat niet doen. Er kunnen steeds
twee manieren bestaan om de natuur te beschrijven. De thermodynamica beschouwt een systeem in zijn
geheel, als een macroscopisch gegeven waarvan meetbare grootheden, zoals druk en temperatuur, in
principe bekend zijn. Aan de hand van deze macroscopische grootheden wordt het gedrag van het
systeem beschreven. De andere methode is die van de kinetische theorie. Zij beschouwt een systeem als
een verzameling van een groot aantal deeltjes (atomen of moleculen) waarvan de bewegingen statistisch
berekend worden. Deze methode vertrekt vanuit een microscopische toestand, de posities en snelheden
van de deeltjes, en berekent het macroscopische gedrag als het statistisch resultaat van de bewegingen
van de deeltjes. Zo is de druk van een gas het statistische resultaat van de grote aantallen botsingen van
de deeltjes tegen de wand, en kan de temperatuur begrepen worden als een maat voor de gemiddelde
kinetische energie van de deeltjes.
Beide methoden, de thermodynamische en de kinetische, moeten vanzelfsprekend hetzelfde resultaat
opleveren. De kinetische kan daarbij de verklaring aanreiken, in termen van mechanica, voor het
thermodynamische gedrag, en zo de brug slaan tussen het microscopische en macroscopische niveau
van natuurbeschrijving.
Nu zou de natuur op het microscopische niveau omkeerbaar in de tijd moeten zijn omdat de wetten van
de beweging omkeerbaar zijn, terwijl op het macroscopische niveau blijkt dat de natuur onomkeerbaar in
de tijd, zoals de tweede wet van de thermodynamica bepaalt. Als de bewegingen van elk deeltje
afzonderlijk omkeerbaar zijn, waarom is dan het gedrag van het geheel niet omkeerbaar?
Het uitzonderlijke en enigszins mysterieuze statuut van de tweede wet van de thermodynamica geeft aan
het begrip entropie een bijzonder betekenis. De vraag is: welke? Volgens de definitie die Clausius eraan
gaf, is entropie een toestandsgrootheid, uitgedrukt in joule per kelvin die in principe berekend kan
worden. Uit het feit dat warmte nooit spontaan van een koud naar een warm reservoir stroomt, maar wel
omgekeerd, leidde Clausius af dat de entropie altijd moet toenemen. Daarmee is de fysische betekenis
van het begrip entropie echter niet opgehelderd. De definitie van Clausius mist een interpretatie in termen
van de kinetische theorie.
5.1. CLAUSIUS
Na een aantal verkennende (en door tijdgenoten niet altijd naar waarde geschatte) pogingen van enkele
onderzoekers om een kinetische gastheorie op te stellen, slaagde Rudolf Clausius zelf er als eerst in om
succes op dit gebied te boeken.
In zijn artikel van 1857 Über die Art der Bewegung welch wir Wärme nennen (Poggendorff's Annalen der
Physik und Chemie, Band C, No 3, p. 353-380) berekent Clausius de druk van een gas als het resultaat
van de botsingen van de moleculen tegen de wand in functie van hun snelheden, en identificeert hij de
temperatuur als de gemiddelde kinetische energie van de moleculen.
Een jaar later voert Clausius ook het belangrijke begrip in van de gemiddelde vrije weglengte van een
molecule, dat is de gemiddelde afstand die een molecule aflegt tussen twee opeenvolgende botsingen.
Bodifee, Hoe wankel is de wereld? 2013 52