Entropie is een begrip dat tot de basale kennis van iedere burger zou moeten behoren omdat het alle processen beschrijft aangaande de omzetting van zonne energie(1), zowel met betrekking tot het metabolisme en spierarbeid(2), als in ‘warmtemachines’ die we kennen als stoommachines, brandstof-motoren( ICE) en turbines: ”de innerlijke grammatica van de wereld.” , schrijft Carlo Rovelli (1957) , theoretisch natuurkundige, verbonden aan het centrum voor theoretische natuurkunde van de universiteit van Aix Marseille.
Waarom is kennis van het begrip entropie zo belangrijk ?
Omdat we daarvan leren dat, voor zowel het metabolisme als de Carnot-cyclus van een warmtemachine- een motor of turbine- geldt, dat daarmee brandstof ,respectievelijk voedsel en brandstoffen , het meest efficient wordt verbrand. (3) Dus, dat alle andere wegen- ketens- méer energie vergen. Daaruit volgt ook, dat het opwekken van elektrische energie middels windmolens en/of zonnepanelen en opslaan in accu ’s of waterstof of welke andere weg dan ook – altijd meer energie vergt. Dus, dat wat men ‘hernieuwbare energie ‘ noemt, de consumptie van fossiele brandstoffen juist doet toenemen en de CO2 uitstoot juist doet stijgen. ( hetgeen ook met cijfers wordt bewezen )
Hieronder de letterlijke tekst uit het boek ‘Het Mysterie van de tijd ‘ van ‘theoretisch natuurkundige Carlo Rovelli ”
Blz 21
” Een van de diepere bronnen van de wetenschap is wellicht de poëzie: kunnen zien voorbij het zichtbare. Carnot noemt zijn eerste zoon Sadi, naar Saadi uit Shiraz. En zo staan rebellie en poezie aan de wieg van Sadi Carnot. De jongen raakt in de ban van de stoommachines die vuur gebruiken om dingen te laten draaien en die de 19e-eeuwse wereld gaandeweg een ander aanzien geven. (James Watt had in 1765 de eerste werkende stoommachine gebouwd .red ) In 1824 schrijft hij een boekje met de verlokkelijke titel ‘overpeinzingen over de beweegkracht van het vuur”, waarin hij tracht de theoretische beginselen van de werking van die machines te doorgronden. Het werkje staat vol foute aannames: hij stelt zich voor dat warmte iets concreets is, een soort fluïdum dat energie produceert door van warme dingen op koude dingen te ‘vallen’, net zoals het water van de waterval energie produceert door omlaag te vallen. Maar er zit wel een kern van waarheid in: stoommachines functioneren per slot van rekening omdat warmte van warm overgaat in koud. Het boekje van Sadi komt in handen van de steile Pruisische hoogleraar met een priemende blik:Rudolf Clausius. Hij snapt hoe een en ander in elkaar steekt en formuleert een wet die beroemd zal worden:
“als er rondom niets veranderd kan warmte niet van een koud lichaam naar een warm lichaam overgaan “
Cruciaal in dezen is het verschil met dingen: een bal kan vallen, maar ook op eigen kracht weer omhoog komen, bijvoorbeeld door te stuiteren. Warmte kan dat niet. De door Clausius geformuleerde wet is de enige algemene natuurkundige wet die aangeeft dat er verschil is tussen verleden en toekomst. Geen enkele andere wet doet dat: de wetten van de mechanische wereld van Newton, de elektromagnetische vergelijkingen van Maxwell, die van relativistische zwaartekracht van Einstein, de vergelijkingen van de kwantummechanica van Heisenberg, Schrödinger en Dirac, die van de elementaire deeltjes van de natuurkundigen uit de 20e eeuw… geen van deze vergelijkingen toont aan dat er verschil is tussen verleden en toekomst. Als deze vergelijkingen een opeenvolging van gebeurtenissen toestaan, dan gaat dat ook op voor de omgekeerde richting, terug in de tijd. In de fundamentele vergelijkingen van de wereld (echter ) verschijnt de tijdspijl uitsluitend als er sprake is van warmte.
De samenhang tussen tijd en warmte is dus groot: elke keer dat zich een verschil tussen verleden en toekomst manifesteert, is er ook sprake van warmte. Bij alle fenomenen die absurd worden als ze zich in omgekeerde richting voltrekken is er sprake van iets wat opwarmt. Als ik naar een filmopname kijk van een bal die rolt, kan ik niet zeggen of die film in de juiste richting wordt afgespeeld. Pas als de bal steeds langzamer gaat rollen en tenslotte stilligt, kan ik zien dat de afspeelrichting juist was, want als de film omgekeerde richting was afgespeeld zou er iets ongeloofwaardigs te zien zijn geweest: een bal die zichzelf in beweging zet. Het vertragen en het tot stilstand komen van de bal zijn het gevolg van wrijving, en wrijving produceert warmte. Alleen daar waar warmte is, is er onderscheid tussen verleden en toekomst. Gedachten ontvouwen zich vanuit het verleden naar de toekomst, niet andersom, en het denken produceert dan ook warmte in je hoofd.
Clausius introduceert de grootheid waarmee dit onomkeerbare eenrichtingsverkeer van warmte wordt gemeten en geeft er een naam aan die- hij is niet voor niets een erudiete Duitser- hij aan het Grieks ontleent, ENTROPIE. ” ik geef er de voorkeur aan, voor benamingen van belangrijke grootheden in de wetenschap te putten uit de klassieke talen, zodat ze in alle levende talen dezelfde kunnen zijn. Dus stel ik voor om de grootheid ‘s’ de entropie van een lichaam te noemen, naar het Griekse woord voor ‘transformatie’.
De entropie van Clausius is een meetbare in berekenbare grootheid die wordt aangeduid met de letter ‘s’ en die, in een geïsoleerd proces, toeneemt dan wel gelijk blijft, maar nooit afneemt. Om aan te geven dat die nooit afneemt schrijft men :
∆s≥0
Dat wordt gelezen als : ‘delta s is altijd groter dan of gelijk aan nul’ , en dat is het Tweede principe van de Thermodynamica (het eerste is behoud van energie). Het betekent dat warmte van warme lichamen kan overgaan op koude lichamen maar nooit andersom.
Bovenstaande vergelijking beschrijft de tijdspijl, en is de enige vergelijking in de fundamentele natuurkunde die het verschil tussen verleden en toekomst onderkent. De enige die gaat over het verstrijken van de tijd. Achter die uitzonderlijke vergelijking gaat een hele wereld schuil, die ontsloten zal worden door een onfortuinlijke doch sympathieke Oostenrijker, kleinzoon van een klokkenmaker en een tragische, romantische figuur: Ludwig Bolzmann. Bolzmann zal als eerste inzien wat er schuilgaat achter de vergelijking en zal zich wagen aan een van de meest duizelingwekkende zoektochten naar het begrip van de innerlijke grammatica van de wereld.
Bolzmann heeft gewerkt in Graz, Heidelberg, Berlijn en Wenen, en daarna weer in Graz. Volgens hem houdt zijn ongedurigheid samen met het feit dat hij is geboren tijdens carnaval. Het is slechts deels een grap, want hij is inderdaad nogal wankelmoedig van aard: een gevoelige ziel die schommelt tussen vervoering en depressie. Klein van stuk, robuust, met donker krulhaar en een talibanbaard-zijn verloofde noemde hem ‘mijn allerliefste dikkertje’. En deze Bolzmann is dus de onfortuinlijke held van de tijdrichting.
Sadi Carnot dacht dat warmte een substantie was, een fluidum. Hij vergiste zich. Warmte is de microscopische beweging van moleculen. Warme thee is thee waarin moleculen veel bewegen. Koude thee is thee waarin moleculen zo goed als niet bewegen.
In een ijsblokje, dat nog kouder is, bewegende moleculen nog minder.
Aan het einde van de 19e eeuw geloofden nog heel veel mensen niet dat moleculen en atomen echt bestonden. Bolzmann was daar wel van overtuigd en stak die mening niet onder stoelen of banken. Zijn felle tirades aan het adres van degenen die niet in atomen geloofden zijn legendarisch.
‘Wij, die jong van hart waren, stonden allemaal aan zijn kant’ vertelt jaren later een van de toenmalige jonge helden van de kwantummechanica. Op een conferentie in Wenen wierp een destijds bekend natuurkundige hem tijdens een van die vurige polemieken voor de voeten dat het wetenschappelijk materialisme dood was omdat de wetten van de materie geen tijdrichting kennen: ook natuurkundigen zeggen stomme dingen. Copernicus zag dat de aarde draaide door naar de ondergaande zon te kijken. Bolzmann zag dat atomen en moleculen woest bewegen door naar een glas roerloos water te kijken. Wij zien water in een glas zoals astronauten de aarde zien vanaf de maan: een roerloze blauwe schittering. Van de overstelpende drukte op aarde, de planten en de dieren, de liefde en de wanhoop, zie je niets vanaf de maan. Al wat je ziet is een gevlekte , blauwe knikker. In een glas water huist een soortgelijke stormachtige activiteit, namelijk die van talloze moleculen- veel en veel meer dan alle levende wezens op aarde bij elkaar.
Door die beweging wordt alles vermengd. Als een deel van de moleculen in rust is, wordt dat meegesleurd door het gewoel van de andere en beweegt het zich vervolgens ook: de beweging verspreidt zich, en de moleculen botsen en stoten tegen elkaar aan. En zo worden koude dingen warm door het kontact met het warme dingen: hun moleculen komen in botsing met warme moleculen en worden meegesleurd in de beweging, oftewel ze worden warm. Thermische beweging heeft iets weg van voortdurend schudden van speelkaarten: de kaarten liggen op volgorde en dat wordt door het schudden, het vermengen, ongedaan gemaakt. Zo gaat warmte van warm naar koud, en niet andersom: door vermenging doordat alles van nature naar wanorde streeft. Ludwig Bolzmann begreep dat. Het verschil tussen verleden en toekomst ligt niet besloten in de basiswetten van de beweging, en niet in de diepere grammatica van de natuur. Het is het natuurlijke streven naar wanorde dat geleidelijk aan tot minder specifieke, minder uitzonderlijke, situaties leidt. Het is een briljante gedachte. En een correcte.”
Tot zover over Entropie uit het Mysterie van de tijd van Carlo Rovelli.
1) Zonne energie Middels het proces van fotosynthese werd zonne-energie, gedurende miljoenen jaren, omgezet in fossiele brandstoffen; in bossen gedurende enkele honderden jaren en middels de jaarlijkse oogst als plantaardig voedsel. ( in de zeeën produceert fotosynthese fytoplankton dat aan het begin staat van het maritieme leven)
2) entropie is ook van toepassing op het metabolisme en de keten van voedselvoorziening . Veganisten zullen juichen. Zie je wel roepen ze dat we gelijk hadden toen we zeiden dat planten eten de kortste weg is, maar ze hadden niet gerekend met het feit dat mensen nu eenmaal geen grassen en andere biomassa kunnen verteren . Onze schepper schiep naast carnivoren en omnivoren ook herbivoren die met hun vier magen wél gras en ander door mensen niet verteerbare biomassa kunnen verteren. Op de graslanden van Nederland, die uniek zijn in de wereld en de pampa’s van Argentinië, die maar liefst 800.000 km2 beslaan ( ca 20 keer NL ) zetten herbivoren grassen en andere biomassa om in vlees, melk, boter, kaas en leer; op de enorme vlaktes tussen Kenia en Tanzania houden de Masaai de schapen waarvan ze leven en in het Noorden leven de Sami en vele andere natuurvolken die leven van de rendieren die ze houden.
3)Energetisch optimum. Eind 50 er jaren werd het energetisch optimum bereikt: de toestand waarbij geen verbetering van de Carnot -cyclus meer mogelijk was en daarmee de hoogst mogelijke brandstofefficiëntie was bereikt. ( de laagst mogelijke CO2- uitstoot per eenheid arbeid ) Niet alleen door sterk verbeterde verbrandingstechnieken, maar ook verbeterde materialen ( metallurgie), bewerkings- en afdichtingstechnieken. Met de introductie van de energietransitie werd de daling van het overall rendement ingezet en begon de overall CO2 uitstoot weer te stijgen.