What is entropy? - Jeff Phillips

Übersetzung: Johannes Duschner Lektorat: Swenja Gawantka

There's a concept that's crucial to chemistry and physics.

Es gibt ein wesentliches Konzept für die Chemie und die Physik.

It helps explain why physical processes go one way and not the other:

Es hilft zu erklären,

warum physikalische Vorgänge in eine Richtung verlaufen

und nicht in die andere:

why ice melts,

warum Eis schmilzt,

why cream spreads in coffee,

warum sich Sahne im Kaffee verteilt

why air leaks out of a punctured tire.

und warum Luft aus einem durchlöcherten Reifen entweicht.

It's entropy, and it's notoriously difficult to wrap our heads around.

Es heißt Entropie und ist bekanntlich schwer zu verstehen.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

Entropie beschreibt man oft als Grad der Unordnung.

That's a convenient image, but it's unfortunately misleading.

Das ist ein einleuchtendes Bild, aber leider irreführend.

For example, which is more disordered -

Was ist zum Beispiel ungeordneter:

a cup of crushed ice or a glass of room temperature water?

eine Tasse mit zerstoßenem Eis oder ein Glas Wasser auf Raumtemperatur?

Most people would say the ice,

Die Meisten würden sagen: das Eis.

but that actually has lower entropy.

Es hat aber faktisch geringere Entropie.

So here's another way of thinking about it through probability.

Eine andere Vorgehensweise ist die Wahrscheinlichkeitsaussage.

This may be trickier to understand, but take the time to internalize it

Es ist vielleicht kniffliger, aber wenn Du Dir die Zeit nimmst,

and you'll have a much better understanding of entropy.

es zu verinnerlichen, wirst Du Entropie besser begreifen.

Consider two small solids

Schau Dir zwei kleine Festkörper an,

which are comprised of six atomic bonds each.

die jeweils sechs Atombindungen umfassen.

In this model, the energy in each solid is stored in the bonds.

In diesem Modell speichern die Bindungen die Energie jedes Festkörpers.

Those can be thought of as simple containers,

Jene kann man sich als einfache Gefäße denken,

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

die unteilbare Energieeinheiten, bekannt als Quanten, enthalten.

Je mehr Energie ein Festkörper hat, desto heißer ist er.

The more energy a solid has, the hotter it is.

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed

Tatsächlich gibt es unzählige Möglichkeiten,

wie die Energie auf die zwei Festkörper verteilt sein kann

in the two solids

and still have the same total energy in each.

und immer noch dieselbe Gesamtenergie in beiden vorhanden ist.

Each of these options is called a microstate.

Jede dieser Alternativen wird Mikrozustand genannt.

For six quanta of energy in Solid A and two in Solid B,

Für sechs Energiequanten im Festkörper A und zwei im Festkörper B

there are 9,702 microstates.

gibt es 9 702 Mikrozustände.

Of course, there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

Natürlich gibt es andere Alternativen,

wie unsere acht Quanten angeordnet sein können.

For example, all of the energy could be in Solid A and none in B,

Die ganze Energie könnte etwa im Festkörper A sein und keine in B

or half in A and half in B.

oder die Hälfte in A und die Hälfte in B.

If we assume that each microstate is equally likely,

Nimmt man an, jeder Mikrozustand sei gleich wahrscheinlich, erkennt man,

we can see that some of the energy configurations

dass einige Konstellationen der Energieverteilung

have a higher probability of occurring than others.

mit höherer Wahrscheinlichkeit auftreten als andere.

That's due to their greater number of microstates.

Das liegt an ihrer größeren Anzahl an Mikrozuständen.

Entropie ist ein direktes Maß

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

für die Wahrscheinlichkeit jeder Energiekonstellation.

What we see is that the energy configuration

Die Energiekonstellation, bei der sich die Energie

in which the energy is most spread out between the solids

zwischen den Festkörpern am weitesten ausbreitet,

has the highest entropy.

hat die höchste Entropie.

So in a general sense,

Grundsätzlich kann man also Entropie

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

als Maß für diese Ausbreitung von Energie betrachten.

Low entropy means the energy is concentrated.

Geringe Entropie bedeutet, die Energie ist konzentriert.

High entropy means it's spread out.

Hohe Entropie bedeutet, sie ist verteilt.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

Um zu verstehen,

warum Entropie zur Erklärung spontaner Vorgänge nützlich ist --

like hot objects cooling down,

etwa für heiße, sich abkühlende Objekte --,

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

muss man sich ein dynamisches System mit wandernder Energie ansehen.

In reality, energy doesn't stay put.

In Wirklichkeit ist Energie nicht ortsfest.

It continuously moves between neighboring bonds.

Sie wandert ständig zwischen benachbarten Bindungen hin und her.

As the energy moves,

Während die Energie wandert,

the energy configuration can change.

kann sich die Energiekonstellation ändern.

Because of the distribution of microstates,

Wegen der Verteilung der Mikrozustände

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration

gibt es eine Wahrscheinlichkeit von 21 %, dass das System die Konstellation annimmt,

in which the energy is maximally spread out,

bei der die Energie maximal verteilt ist.

there's a 13% chance that it will return to its starting point,

Es besteht eine Aussicht von 13 %, dass sie zum Ausgangspunkt zurückkehrt,

and an 8% chance that A will actually gain energy.

und eine Wahrscheinlichkeit von 8 %, dass A tatsächlich Energie hinzugewinnt.

Again, we see that because there are more ways to have dispersed energy

Weil es also mehr Möglichkeiten zur Energiestreuung gibt

and high entropy than concentrated energy,

und eine hohe Entropie statt konzentrierter Energie,

the energy tends to spread out.

neigt die Energie dazu, sich auszubreiten.

That's why if you put a hot object next to a cold one,

Darum erwärmt sich ein kaltes Objekt und ein heißes Objekt kühlt ab,

the cold one will warm up and the hot one will cool down.

wenn man beide nebeneinanderstellt.

But even in that example,

Aber selbst bei diesem Beispiel

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

gibt es eine Wahrscheinlichkeit von 8 %, dass das heiße Objekt heißer wird.

Warum passiert das nie im echten Leben?

Why doesn't this ever happen in real life?

It's all about the size of the system.

Es dreht sich alles um die Größe des Systems.

Unsere hypothetischen Festkörper haben jeweils nur sechs Bindungen.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

Let's scale the solids up to 6,000 bonds and 8,000 units of energy,

Vergrößern wir die Festkörper auf bis zu 6 000 Bindungen

und 8 000 Energieeinheiten

and again start the system with three-quarters of the energy in A

und starten das System erneut bei drei Viertel der Energie in A

and one-quarter in B.

und einem Viertel in B.

Jetzt sehen wir,

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

dass die Wahrscheinlichkeit für A, spontan mehr Energie aufzunehmen,

is this tiny number.

diese winzige Zahl ist.

Familiar, everyday objects have many, many times more particles than this.

Gewohnte Alltagsgegenstände haben viel mehr Teilchen als diese.

The chance of a hot object in the real world getting hotter

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein heißes Objekt

is so absurdly small,

in der echten Welt heißer wird, ist ungeheuer gering.

it just never happens.

Es passiert einfach nicht.

Ice melts,

Eis schmilzt,

cream mixes in,

Sahne vermischt sich

and tires deflate

und Reifen entleeren sich,

because these states have more dispersed energy than the originals.

weil diese Zustände mehr verteilte Energie als die ursprünglichen haben.

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy.

Es gibt keine rätselhafte Kraft,

die das System zu höherer Entropie schubst.

It's just that higher entropy is always statistically more likely.

Höhere Entropie ist statistisch nur immer wahrscheinlicher.

That's why entropy has been called time's arrow.

Darum wird Entropie auch Pfeil der Zeit genannt.

If energy has the opportunity to spread out, it will.

Wenn Energie die Gelegenheit hat, sich zu verteilen, tut sie es.