Den Grundlagen der Thermodynamik auf der Spur

Die Übertragung von Energie von einen auf einen anderen Körper ist eng mit der Entropie verbunden. Diese Größe ist von funda­mentaler Bedeutung ist und dient als nützliche theoretische Bilanz­größe in der Physik, Chemie und Technik. Doch die Messung der Entropie gestaltet sich oft schwierig. Dietmar Block und Frank Wieben von der Uni Kiel ist es jetzt gelungen, Entropie in komplexen Plasmen zu messen. In einem System von geladenen Mikro­partikeln, die sich in diesem ionisierten Gas befinden, konnten die Forscher alle Positionen und Impulse der Partikel gleich­zeitig ermitteln. Auf diese Weise waren sie mit ihren Experi­menten in der Lage, die Entropie so zu bestimmen, wie es Ludwig Boltz­mann um 1880 bereits theoretisch beschrieben hat.

„Uns ist mit unseren Experimenten der Nachweis gelungen, dass im komplexen Plasma als wichtigem Modell­system die thermo­dynamischen Grund­lagen streng erfüllt werden. Über­raschend ist, dass dies für Mikro­partikel in einem Plasma gilt, das sich weit weg vom thermo­dynamischen Gleich­gewicht befindet“, erklärt Wieben. In den Experi­menten können die Forscher mit einem Laser die thermische Bewegung der Mikro­partikel im Plasma gezielt beein­flussen. Die Beob­ach­tung des dynamischen Verhaltens der Partikel in Echtzeit erlaubt es dann die Entropie zu bestimmen.

„Damit legen wir die Basis, um zukünftig funda­mentale Unter­suchungen zur Thermo­dynamik in stark gekoppelten Systemen durch­führen zu können, die sich auf andere Systeme über­tragen lassen“, ist Block über­zeugt. Die Vor­arbeiten zu diesem Erfolg gehen maß­geblich auf die Ergeb­nisse und diagnos­tischen Verfahren zurück, die an der Uni Kiel entwickelt wurden.

Ein alltägliches Experiment verdeutlicht die Bedeutung der Entropie: Schüttet man einen Behälter mit heißem Wasser in einen Behälter mit kaltem Wasser, ist die Mischung kühler als das heiße Wasser und wärmer als das kalte Wasser. Umkehren lässt sich dieser Prozess nicht, er ist nicht reversibel: Wasser mittlerer Temperatur lässt sich nicht in einen Behälter mit heißem und einen mit kaltem Wasser aufteilen.

Der Grund für die Unumkehr­bar­keit dieses Prozesses ist die Entropie. Der zweite Haupt­satz der Thermo­dynamik besagt, dass die Entropie in einem abge­schlossenen System nicht kleiner werden kann. Beim Mischen von heißem und kaltem Wasser muss die Entropie des Gemisches daher zunehmen. Alternativ lässt sich die Größe Entropie auch mit Ordnung in Verbindung bringen. Stark verein­facht könnte man sagen, dass Systeme von allein nicht in einen stärker geordneten Zustand übergehen. Ordnung muss man schaffen, Unordnung ergibt sich von allein.

CAU / RK

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung
  F. Wieben & D. Block: Entropy Measurement in Strongly Coupled Complex Plasmas, Phys. Rev. Lett. 123, 225001 (2019); DOI:  10.1103/PhysRevLett.123.225001
• Experimental Plasma Physics, Atom- und Plasmaphysik, Institut für experimentelle und angewandte Physik, Sektion Physik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel