Entropie
Entropie een van de moeilijkere begrippen uit de thermodynamica (thermos = warmte & dynamis = vermogen). Entropie wordt vaak beschreven als mate van chaos in een systeem. Dit is eigenlijk niet de juist beschrijving. Een betere omschrijving zou zijn: "Het aantal toestanden waarin een systeem zich kan bevinden".
Of anders gezegd: het aantal manieren waarop je de inhoud van een systeem op microniveau kan ordenen zonder dat je het verschil ziet op macroniveau.
- Macroniveau: de schaal van dingen die we in ons dagelijkse leven om ons heen waarnemen en kunnen meten. Van een gas is dit bijvoorbeeld temperatuur, druk en volume.
- Microniveau: de schaal waarop men naar atomen en moleculen kijkt in bijvoorbeeld een gas.
Kort gezegd: heeft een systeem veel toestanden waarin het zich kan bevinden? Dan is de entropie hoog. Andersom geldt hetzelfde: zijn er weinig toestanden? Dan is de entropie laag.
Als wij gaan kijken naar gas en hout, dan kunnen wij zeggen dat de moleculen in gas kriskras door elkaar en alle kanten op bewegen. Gasmoleculen kunnen zich dus op veel plaatsen (toestanden) in een gaswolk bevinden. Gas heeft dus een hoge entropie.
In hout zijn de houtmoleculen enorm strak gerangschikt en geordend. Hout moleculen kunnen zich niet vrij bewegen door het hout, er zijn dus enorm weinig toestanden en dus ook een lage entropie.
Entropie in het dagelijks leven
Elk proces dat spontaan optreedt vindt altijd plaats als de entropie minimaal gelijk blijft of toeneemt en er geen energie verloren gaat. Dit kunnen processen zijn in het universum, in een gas, maar ook in de cellen in jouw lichaam! Entropie streeft voornamelijk naar een toename van entropie. Entropie is de enige grootheid in de natuurwetenschap die één bepaalde richting heeft in de tijd. Entropie zal altijd toenemen of gelijk blijven. Dit verklaart ook deels waarom wij ouder worden met de jaren en niet jonger. Entropie kan alleen verlaagd of minder worden wanneer jij orde of organisatie schept. Als jouw kamer een rommeltje is, dan is de mate van toestanden of entropie, erg hoog. Wanneer jij je kamer opruimt, zorg jij ervoor dat die toestanden en dus ook de entropie, afneemt.
Entropie en waarschijnlijkheid
Energie (atomen en moleculen) is altijd in beweging, hierdoor kunnen ze in zeer veel toestanden voorkomen in een systeem zonder dat dit meetbaar is op macroniveau. In een gas bewegen de afzonderlijk moleculen zich met verschillende snelheden. Ze botsen tegen elkaar aan waardoor de ene molecuul vertraagt en de ander versnelt. Meten wij de temperatuur van het gas dan meten wij de gemiddelde snelheid van alle moleculen bij elkaar in het gas. Ludwig Boltzmann keek naar het aantal mogelijkheden waarop een bepaald macrosysteem kan voorkomen. Door het aantal microtoestanden te berekenen van één macrosysteem kon hij iets zeggen over de waarschijnlijkheid of kans in dat macrosysteem. Het komt er min of meer op neer dat Boltzman zegt: ''Entropie neemt toe of blijft minimaal gelijk in de tijd maar er kunnen zich wel momenten voordoen van lagere entropie''.
Dit is het makkelijkst uit te leggen door middel van voorbeelden.
Gekleurde moleculen
Stel dat wij de moleculen in een gas een kleur konden geven. De ene helft wordt blauw en de andere rood. Bij een hoge entropie vliegen zij willekeurig en chaotisch door elkaar met verschillende snelheden. Bij deze microtoestand horen dus enorm veel mogelijkheden. Als wij naar een gas zouden kijken op microniveau, dan zullen wij deze microtoestand waarnemen. De kans dat wij aan de ene helft van het gas alle blauwe moleculen en aan de andere kant alle rode moleculen zouden waarnemen is enorm zeldzaam. Deze microtoestand heeft dus een lage waarschijnlijkheid, maar de kans bestaat wel... en eens in de zoveel tijd is er dus een moment waarop de microtoestand van lage waarschijnlijkheid, of lage entropie even zichtbaar zou zijn.
Kaartenspel
Stel dat wij een spel kaarten kopen, dan liggen de kaarten mooi gerangschikt op volgorde en kleur. Dit nieuwe spel kaarten is dus een macrotoestand. De microtoestand is de volgorde waarin de kaarten zich bevinden. Worden de kaarten geschud, dan verandert de microtoestand van de kaarten en de macrotoestand wordt ''een geschud spel kaarten''. Stel dat de kaarten nog een keer geschud worden, dan zal wederom de microtoestand veranderen maar de macrotoestand blijft ''een geschud spel kaarten''. De microtoestand van een geschud spel heeft dus veel mogelijkheden, terwijl de macrotoestand niet verandert. De microtoestand van een geschud spel is dus veel waarschijnlijker dan die van een ongeschud kaartspel. Ook hier zal de microtoestand van een ongeschud kaartspel een keer voorkomen, als jij maar lang genoeg blijft schudden.
Volgens hetgeen wat is bewezen door wetenschappers, zou het dus voor kunnen komen dat alle atomen en moleculen in jouw lichaam zich in precies die juiste microtoestand bevinden, dat jij niet ouder maar jonger wordt, weliswaar voor een zeer korte duur, maar de kans is aanwezig.