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Ordnung, Unordnung und spontane Prozesse

Spontane Prozesse

Eine in der Natur von selbst - gegebenenfalls erst nach Aufhebung einer Hemmung - ablaufende Zustandsänderung bezeichnet man als spontan.

Beispiele spontaner Prozesse
  1. Temperaturausgleich (Wärmefluss vom heißen zum kalten Körper) Aufhebung der Hemmung: Herstellung des Wärme- oder Strahlungskontaktes
  2. Gasexpansion ins Vakuum Aufhebung der Hemmung: Öffnen des Verschlussventils
  3. Fall einer Masse (Vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme) Aufhebung der Hemmung: Ausklinken des Gewichtes
  4. Vermischung zweier Gase Aufhebung der Hemmung: Öffnen des Ventils
  5. Chemische Reaktionen (Knallgas-Explosion) Aufhebung der Hemmung: Zündung

Es ist einzusehen, dass alle in der Natur vorkommenden Prozesse spontan sind. Weiterhin ist anzumerken, dass spontane Prozesse irreversibel sind: Die Zustandsänderungen vollziehen sich nicht bei fortwährendem Gleichgewicht des Systems mit der Umwelt.

Wie steht es mit den umgekehrten Prozessen zu 1 - 5? Hier zeigt die Erfahrung.

Umkehrprozess spontan? Nein
  1. Wärme fließt nicht spontan von kalt nach warm.
  2. Ein Gas komprimiert sich nicht spontan auf die Hälfte seines Volumens, so dass in der zweiten Volumenhälfte ein Vakuum entsteht.
  3. Ein Masse „springt” nicht in die Höhe unter Abkühlung der Unterlage.
  4. Gasgemische trennen sich nicht von selbst.
  5. Eine chemische Reaktion (z. B. Knallgas-Explosion) verläuft nicht rückwärts.

Es sei betont, dass die Erfahrung die spontane Umkehrung der Prozesse 1 - 5 verneint. Verlangen wir nur die Herstellung des ursprünglichen Zustandes, so ist die Umkehrung möglich, allerdings müssen wir dafür Energie aufbringen:

Umkehrprozess möglich unter Arbeitsaufwand? Ja
  1. Kühlschrank
  2. Kompression des Gases, Schliessen des Hahns und Rückziehen des Kolbenstempels
  3. Heben der Masse
  4. Trennung durch Destillation oder über die Herstellung von chemischen Derivaten und nachfolgender Zerlegung
  5. Elektrolyse von H2O liefert H2 und O2

In allen Fällen sind Maschinen erforderlich, die Arbeit für die Wiederherstellung des Anfangszustandes des spontanen Prozesses leisten.

Bei den Beispielen 1 - 4 ist es, gemäß der Ausführungen in den vorangegangenen Abschnitten, einleuchtend, dass Ordnung in Unordnung übergeht.

  • Im Beispiel 2 möge sich das Volumen verdoppeln. Nach dem Öffnen des Ventils ist das Volumens des Systems schlagartig verdoppelt, allerdings sind alle Teilchen zunächst noch im halben Volumen lokalisiert und im hinzugekommenen Volumen herrscht Vakuum. Die dann folgenden Verteilung der Teilchen auf das doppelte Volumen wird hier im Sinne einer Vergrößerung der Unordnung angesehen.
  • Im Beispiel 3 besteht Temperaturgleichgewicht zu Beginn. Fällt die Masse, so besitzen die Teilchen ungeordnete kinetischen Energie gemäß der gegebenen Temperatur und zusätzlich noch eine gerichtete, also geordnete kinetische Energie gemäß der Fallbewegung. Die Unterlage erwärmt sich beim Aufprall ebenso wie die gefallene Masse: Geordnete kinetische Energie ist vollständig in ungeordnete übergegangen.
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