Natuur, balans en harmonie

Lode Stevens

De eerste hoofdwet van de thermodynamica

 

Naast de wet van behoud van massa is de wet van behoud van energie één van de basiswetten van de klassieke chemie en fysica. Men kon destijds hiermee echter niet verklaren dat bij allerlei processen de zichtbare energie langzaam maar zeker geheel verloren ging, denk bijvoorbeeld aan een bewegende slinger die op een bepaald moment stopt.
Pas in de negentiende eeuw kwam men er achter, dat dit slechts een schijnbaar verlies is, omdat de zichtbare energie ten slotte geheel wordt omgezet in een overeenkomstige hoeveelheid warmte -energie. In het geval van de slinger is dit de onzichtbare potentiële en kinetische energie van de atomen en moleculen van de slinger en de omringende lucht.

 
Er kan dus inderdaad geen energie verloren gaan of uit het niets te voorschijn komen. Dit principe van de constante hoeveelheid energie is geformuleerd in de eerste hoofdwet van de thermodynamica.

 

In een geïsoleerd systeem is de totale hoeveelheid energie constant

 

Een geïsoleerd systeem zou men opgebouwd kunnen denken uit een open- of gesloten systeem en de bijbehorende omgeving. De zon(ster) is bijvoorbeeld te beschouwen als een geïsoleerd systeem. De energie E die bij de verbranding vrijkomt, wordt gebruikt om de planeten (samen de omgeving) te verwarmen.
De energie wordt hierbij alleen maar herverdeeld, dus de totale hoeveelheid verandert niet.

 
De wet van behoud van energie bezit een groot gebied van geldigheid. De wet geldt niet alleen voor mechanische en thermische processen, maar ook voor chemische, electromagnetische en biologische processen.

 
Toch is in deze eeuw gebleken, dat zowel de wet van energiebehoud als de wet van massabehoud niet onder alle omstandigheden geldig is ( denk hierbij bijvoorbeeld aan kernreacties waarbij energie vrijkomt onder gelijktijdig massaverlies).

 
 
Pas de combinatie van beide wetten levert een wet die volgens alle huidige criteria geldigheid bezit: de equivalentie van massa en energie. Massa is te beschouwen als een vorm van energie, door Einstein als volgt geformuleerd.

 

E= m C2

Dus deze eerste Wet is universeel.

 

Entropie

De eerste hoofdwet van de thermodynamica, de wet van behoud van energie, leert ons dat energie kan worden omgezet van de ene vorm in de andere, maar niet kan onstaan of verloren gaan. De eerste hoofdwet van de thermodynamica doet echter geen uitspraak over de richting waarin de processen kunnen verlopen. Men zou kunnen veronderstellen dat, net als bij verbrandingsreacties, de reactie altijd die richting kiest waarbij warmte vrij komt. Dit is niet het geval, er blijken ook spontaan verlopende endotherme reacties te bestaan. Tijdens deze spontaan verlopende processen wordt energie uit de omgeving opgenomen; denk bijvoorbeeld aan het fotosyntheseproces waarbij stralingsenergie wordt opgenomen.

 

Het smelten van ijs is ook een voorbeeld van een spontaan verlopend endotherm proces. IJs neemt warmte uit de omgeving op bij het smelten, toch smelt ijs spontaan boven het vriespunt.

 
Het is dus onjuist te beweren dat een systeem onder alle omstandigheden naar een minimale energie streeft. Er is dus blijkbaar nog een andere drijfveer die een rol speelt bij het verlopen van processen.

Entropie kan beschouwd worden als een maat voor het aantal realiseringsmogelijkheden waarin een systeem onder gegeven omstandigheden kan verkeren. Men noemt de entropie van een systeem groter naarmate er meer wanorde heerst of naarmate er meer mogelijkheden zijn de toestand van de systeem op atomair als op moleculair niveau te realiseren.

 
 

 

 De tweede hoofdwet van de thermodynamica

 

In alle systemen is een zekere neiging tot wanorde, ofwel een streven naar het maximale aantal realiseringsmogelijkheden aanwezig.

 
Op grond van deze verschijnselen is de tweede hoofdwet van de thermodynamica als volgt gedefinieerd:

 

Een fysisch proces kan slechts verlopen als de totale entropie, dat is de entropie van het systeem en die van de omgeving ( in een totaal een geïsoleerd systeem), toeneemt of op zijn minst gelijk blijft, wiskundig geformuleerd. 

S(geïsoleerd systeem)= S (systeem) + S (omgeving
 

 

 

 

Levende organisme zijn uitstekende voorbeelden van systemen die gekenmerkt worden door een prachtige ordening en dus lage entropie. Tijdens de groei van een organisme worden kleine moleculen omgezet is grotere moleculen; er onstaat dus orde uit wanorde. Dit gebeurt echter uitsluitend ten koste van een entropietoestand van de omgeving, een toename die de entropieafname meer dan compenseert. Men denkt hierbij aan de toenemende verontreiniging in onze samenleving. De milieuproblematiek is overigens iets nieuws, aangezien iedere vorm van leven vanaf het eerste begin wanorde in zijn omgeving, het milieu, heeft veroorzaakt.

 
 

 

 Vrije -enthalpie - en entropieberekeningen

 

De entropiewaarden van atomen en moleculen onder verschillende omstandigheden kunnen uit experimentele gegevens berekend worden. Voor de berekening van deze entropiewaarden maakt men gebruik van de zogenaamde derde hoofdwet van de thermodynamica.

Deze derde hoofdwet is als volgt gedefinieerd:

 

Bij het absolute nulpunt 0 K (-273 °C) is de entropie van elke stof gelijk aan nul. Er heerst bij 0 K de grootst mogelijke orde. 

Thermodynamica