Alles ändert sich und einige von uns mögen das nicht immer. Aber nach einer Ansicht ist die Entropie des Universums, und die Natur im Allgemeinen das ist der Grad der Unordnung oder Zufälligkeit in einem System kann die Erschaffung von Leben überhaupt erst ermöglicht haben.

Nach dieser Ansicht, Wenn eine Gruppe von Atomen von einer externen Energiequelle wie der Sonne angetrieben wird und von einer Wärmequelle wie der Atmosphäre umgeben ist, wird sie sich allmählich so umstrukturieren, dass immer mehr Energie verbraucht wird. Von da anunter bestimmten Bedingungen wird die Materie unaufhaltsam die Eigenschaften des Lebens annehmen.

Allerdings wurde auch Entropie mit dem in Verbindung gebracht Hitzetod des Universums. Hier ist alles, was Sie wissen müssenEntropie in der Thermodynamikund wie es das Universum beeinflusst und letztendlichuns.

Was ist das entropie des Universums?

Obwohl sie in der Physik nicht dasselbe sind, ist es etwas nützlich, über die Chaostheorie und ihre Zusammenhänge nachzudenken zuEntropie, und eventuell welche Auswirkung Entropie auf das Universum haben kann.

Nach der Chaostheorie gibt es innerhalb der scheinbaren Zufälligkeit chaotischer, komplexer Systeme zugrundeliegende Muster und Zusammenhänge. Wenn Sie die Anfangsbedingungen kennen und diese zugrunde liegenden Muster herausfinden, können Sie die nächsten Unregelmäßigkeiten vorhersagen, die indie Zukunft. Mit anderen Worten - Chaos ist nicht so chaotisch und zufällig, wie es scheinen mag.

In ihrer einfachsten Form ist Entropie definiert als das Maß für die thermische Energie in einem System pro Temperatureinheit, die nicht für nützliche Zwecke verfügbar istArbeit. Weil Arbeit von bestellten erhalten wirdmolekular Bewegung, Entropie ist auch ein Maß für die molekulare Unordnung oder Zufälligkeit eines Systems.

Nicht nur die Physik, sondern viele Disziplinen haben dieses Konzept als nützlich befunden, darunter Chemie, Biologie, Klimawandel, Soziologie, Ökonomie, Informationstheorie und sogar Wirtschaft.

Aber bleiben wir bei der Physik und speziell bei den Grundgesetzen der Thermodynamik.

• Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik ist der Gesetz des thermischen Gleichgewichts. Es drückt aus, dass, wenn zwei unabhängige Systeme mit einem dritten System im thermischen Gleichgewicht sind, sie sich auch miteinander im thermischen Gleichgewicht befinden. Das heißt, wenn A = B undB = C, dann A = C.
  
  Dies ist im wirklichen Leben leicht zu beobachten. Wenn Sie ein kaltes Wasserglas in die Nähe eines heißen Wasserglases bringen. Sie tauschen Wärme durch ihre diathermische Wand aus, bis sie beide sind.thermisches Gleichgewicht mit der Raumtemperatur erreichen.
  
  
• Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist die Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf thermodynamische Prozesse.
  
  Der Energieerhaltungssatz postuliert, dass Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt oder übertragen werden kann. Dies geschieht im Fall eines isolierten thermodynamischen Systems über Arbeit und Wärme. Daher gilt die Formel des ersten Hauptsatzesder Thermodynamik ist ΔU = Q − W, wobei ΔU die Änderung der inneren Energie des Systems ist, Q die darauf aufgebrachte Wärme und W die Arbeit ist, die das System an der Umgebung verrichtet.
  
  
• Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist auch bekannt als Entropiegesetz weil es dieses Konzept als den Grad der Unordnung des Systems einführt. Es wird mit dem Buchstaben S dargestellt.
  
  In jedem Vorgang steckt eine gewisse Energiemenge, die nicht in Arbeit umgewandelt werden kann. Stattdessen wird sie zu Wärme. Die Wärme verstärkt die Unordnung, oder Entropie, eines isolierten Systems. Und weil es immer ein gewisses Maß an unbrauchbarer Energie gibt, die in Wärme umgewandelt wird, stellt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik fest, dass es immer eine Entropiezunahme in isolierten Systemen.
  
  Die Entropieänderung ΔS ist gleich der Wärmeübertragung ΔQ geteilt durch die Temperatur T: ΔS =ΔQ / T.
  
  
• Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass sich die Entropie eines Systems einem konstanten Wert nähert, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert. Wenn die Temperatur des Systems absolut Null ist der unterste Grenzwert in der thermodynamischen Temperaturskala, dann ist die Entropie auchNull.
  

Wer hat das Konzept der Entropie eingeführt?

Trotz seiner Anwendung in mehreren Disziplinen hat das Konzept der Entropie seinen Ursprung in der Physik. Während er die Erhaltung der mechanischen Energie in seiner Arbeit untersuchteGrundlegende Prinzipien von Gleichgewicht und Bewegung1803, der französische Mathematiker Lazare Carnot schlug vor, dass die Beschleunigungen und Stöße der beweglichen Teile in einer Maschine „Verluste des Aktivitätsmoments“ darstellen.. Carnots „Moment der Aktivität“ ist vergleichbar mit dem aktuellen Arbeitskonzept in der Thermodynamik. Im weiteren Sinne in jedem natürlichen Prozess gibt es eine inhärente Tendenz zur Dissipation von Nutzenergie.

Andere Wissenschaftler haben diesen „Verlust“ untersucht und in der letzten Hälfte des 19. Jahrhunderts darauf hingewiesen, dass es sich nicht um einen wirklichen Verlust, sondern um eine Transformation handelt. Dies ist das Konzept der Energieerhaltung, das den Weg für dieerster Hauptsatz der Thermodynamik. Wissenschaftler wie James Joule, Julius Mayer, Hermann Helmholtz und William Thompson auch bekannt als Lord Kelvin haben alle Arbeiten zur Erforschung dieses Konzepts erstellt.

Aber der Begriff Entropie kam aus der Arbeit des deutschen Physikers Rudolf Clausius, der heute als einer der Begründer der Thermodynamik gilt.

In den 1850er Jahren präsentierte er eine Aussage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik in Bezug auf eine Wärmepumpe. Die Aussage von Clausius unterstrich die Tatsache, dass es unmöglich ist, ein Gerät zu konstruieren, das nach einem Kreislauf arbeitet und keinen anderen Effekt als die Übertragung erzeugtWärme von einem kühleren Körper zu einem heißeren Körper.

In den 1860er Jahren prägte er das Wort Entropie nach dem griechischen Wort für Transformation oder Wendepunkt um sich auf den irreversiblen Wärmeverlust zu beziehen. Er beschrieb ihn als eine Funktion des Zustands in einem thermodynamischen Zyklus, insbesondere dem Carnot-Zyklus, einem theoretischen Zyklus, der von Lazare Carnots Sohn Sadi Carnot konzipiert wurde.

In den 1870er Jahren hat der österreichische Physiker und Philosoph Ludwig Boltzmann die Definition der Entropie neu erfunden und an die statistische Mechanik angepasst. Näher an dem, was der Begriff heute beinhaltet, beschreibt dies Entropie als die Messung aller möglichen Mikrozustände in einem System, dessen makroskopischer Zustanduntersucht. Wie können alle seine beobachtbaren Eigenschaften das System neu anordnen? Auf wie viele Arten? Diese Fragen umfassen das Konzept der Unordnung, das die Grundlage eines Konzepts der Entropie ist.

Dies wird mit der Formel geschriebenS = k ln Ω, wobei S die Entropie, K die Boltzmann-Konstante 1,38064852 × 10-23 m2 kg s-2 K-1 und Ω die Menge, die Anzahl der möglichen Mikrozustände ist.

Ist das Universum in einem Zustand der Entropie?

Zurück im 19. Jahrhundert leitete Rupert Clausius auch ab, dass die Energie des Universums konstant ist und dass seine Entropie dazu neigt, mit der Zeit zuzunehmen.

Nach den am weitesten verbreitetenModell für den Anfang des Universums, der gesamte Raum und die gesamte Zeit wurden durch den Urknall geschaffen, ein Ereignis, das vor schätzungsweise 13,8 Milliarden Jahren stattfand. Die Theorie postuliert, dass das Universum zuvor ein sehr kleiner, sehr heißer, dichter Punkt war, ähnlich wie aSingularität, aus der die Gesamtheit von allem, was wir um uns herum sehen, erschaffen wurde.

Kosmologen glauben, dass dieser Punkt dann nach außen 'explodierte', sich mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnte und ausbreitete und alle Teilchen, Antiteilchen und Strahlung im Universum hervorbrachte.

Ja, dafür musste viel Entropie vorhanden sein. Wenn wir jedoch an die kontinuierliche denkenEntropiezunahmedas ist in all diesen Jahren passiert, wir können daraus schließen, dass die Entropie des Universums muss jetzt viel größer sein. Tatsächlich wurde die Entropie des Universums heute auf etwa eine Billiarde mal so groß wie beim Urknall berechnet.

Für einige Kosmologen kann dies mit der Idee der entropischen Zeit erklärt werden. Da der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, kann die Entropie eines isolierten Systems die Entropie erhöhen, aber nicht verringernerfordert eine bestimmte Richtung für die Zeit, manchmal auch als an bezeichnet Zeitpfeil. Die Entropiemessung ist also eine Möglichkeit, die Vergangenheit von der Zukunft zu unterscheiden.

Warum ist das entropie des Universums zunehmend?

Der Entropie des Universums wird weiter zunehmen, aber was genau treibt diesen Anstieg? Verbleibende Strahlungsmengen vom Urknall, Kernfusionen in den Sternen… Es gibt viele Prozesse, die den Energiefluss halten, aber Schwarze Löcher werden als die wichtigsten angesehendazu beitragen, weil sie eine enorme Menge an Partikeln enthalten.

Schwarze Löcher haben eine immense Massenkonzentration, die ihnen ein außergewöhnlich starkes Gravitationsfeld liefert. Sie ermöglichen also eine Vielzahl von Mikrozuständen. Stephen Hawking theoretisierte in diesem Zusammenhang, dass Schwarze Löcher in der Nähe ihres Ereignishorizonts Wärmestrahlung aussenden. Diese Hawking-Strahlung kannzum Massenverlust und schließlich zur Verdampfung von Schwarzen Löchern führen.

Aber denken Sie daran, dass Schwarze Löcher immer noch dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgen, der besagt, dass die Entropie immer dazu neigt, zuzunehmen. Sie werden also mehr Masse sammeln und mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen und sich in supermassive Schwarze Löcher verwandeln. Und wenn sie schließlich zerfallen,das Die von den zerfallenden Schwarzen Löchern erzeugte Störstrahlung wird die gleiche Anzahl möglicher Zustandsanordnungen haben wie das früher existierende Schwarze Loch selbst. Nach dieser Ansicht hatte das frühe Universum eine geringe Entropie aufgrund weniger oder viel kleinerer Schwarzer Löcher.

Gibt es eine Entropiegrenze im Universum?

So sehr wir über die Tendenz der Entropie zur Zunahme sprechen, die Gesetze der Thermodynamik implizieren auch einen Zustand maximaler Entropie.

Im Alltag können wir dies beobachten, wenn unser Kaffee in der Tasse kalt wird. Wenn der Kaffee Raumtemperatur erreicht, bedeutet das, dass er ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebung gefunden hat. Das kochende Wasser, das zur Herstellung des Kaffees verwendet wurde, hatte viele angeregte Atome, aber diese verlangsamten sich und erreichten schließlich ihre maximale Entropie für dieses System.

Thermodynamisches Gleichgewicht ist ein stationärer Zustand, der ohne „Hilfe“ - Energiezufuhr nicht umkehrbar ist. Der Kaffee müsste durch Energiezufuhr wieder erwärmt werden, z. B. auf einem Herd oder in einer Mikrowelle. Wirhaben keine Möglichkeit, dem Universum Energie zuzuführen, sobald es das thermische Gleichgewicht erreicht hat. Irgendwann werden überall die gleichen Werte angenommen.

Bei einer konstanten, stabilen Temperatur rund um den Kosmos gäbe es keine Energie mehr, um Arbeit zu verrichten, da die Entropie ihr Maximum erreicht hätte. Alle diese Postulate bilden die Theorie der Hitzetod des Universums. Diese Theorie wird auch als Big Freeze bezeichnet, da in diesem Szenario die Entropie von Das Universum wird kontinuierlich zunehmen, bis es einen Maximalwert erreicht. An diesem schicksalhaften Tag wird die gesamte Wärme in unserem Universum vollständig gleichmäßig verteilt und lässt keinen Platz für nutzbare Energie.

Dies ist jedoch nur eine Theorie über das endgültige Schicksal des Universums. Andere Theorien gehen davon aus, dass die in der Dunklen Materie enthaltene Energie dazu führt, dass sich das Universum wieder zusammenzieht und aufheizt, was zu etwas Ähnlichem wie einem neuen Urknall führt.

Kann das entropie des Universums abnehmen?

Man kann mit Sicherheit sagen, dass die Entropie im Universum irgendwann abgenommen hat, weil es eine gewisse Ordnung gibt. Gravitationsinteraktionen können zum Beispiel Nebel in Sterne verwandeln. Das ist eine Art von Ordnung.

Die Entropie kann abnehmen, ohne den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen, solange sie an anderer Stelle im System zunimmt. Schließlich sagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht, dass die Entropie in bestimmten Teilen des Systems nicht abnehmen kann, sondern nur dasdie Gesamtentropie des Systems hat eine natürliche Tendenz zu steigen.

Davon abgesehen, das GesamteEntropie des Universumsnimmt nicht ab. Wie oben erwähnt, wird die Entropie tendenziell steigen, bis sie ihr Maximum erreicht und zu führt.Hitzetod. Dies ist ein stationärer Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts, dessen Entropie nicht nur maximal, sondern auch konstant ist, und er wird so bleiben, es sei denn, es gibt einen Energieeintrag, der das System reaktiviert.

Der Kreislauf könnte sich dann wiederholen. Mit dieser neuen, zusätzlichen Energie, die Arbeit verrichtet, würde ein Teil der Energie, die keine Arbeit verrichten kann, in Wärme umgewandelt werden. Dies würde die Entropie des Systems wieder erhöhen. Aber wo würde diese Energie?Woher kommen? Was würde die verbleibenden Leptonen und Photonen, falls vorhanden, zur Wechselwirkung führen?

Wir werden jedoch nicht dort sein, um einen Teil dieses Prozesses zu sehen. Während es beängstigend sein kann zu denken, dass alle Aktivitäten im Universum eines Tages aufhören werden, was das Ende der Welt und alles andere bedeutet, glauben Wissenschaftler, dass dieHitzetod wird in ca. auftreten10¹⁰⁰ Jahre. Damit wir noch eine Weile ruhig bleiben können.