standsgrootheid der warmte. De grote Van Dale verklaart entropie als de ‘benaming van een toestandsgrootheid (in de thermodynamica) waarvan de vermeerdering bij een reversibele toestandsverandering gegeven wordt door het quotiënt van toegevoegde warmte en absolute temperatuur.’ Dit is een zeer precieze definitie, maar de toevallige raadpleger zal meer gebaat zijn bij de praktische definitie van de Concise Oxford Dictionary, die ‘entropy’ omschrijft als ‘Measure of the unavailability of a system's thermal energy for conversion into mechanical work’.
De Tweede Hoofdwet is afgeleid uit een ervaringsfeit, namelijk dat warmte niet uit zichzelf van koud naar warm beweegt, daar is werk voor nodig. Zoals in een ijskast. Of anders Maxwell's demon. James Clerk Maxwell bedacht dat de tweede wet ontkracht kon worden door een demon die sneller bewegende (‘warmere’) van langzamer bewegende (‘koudere’) moleculen kan scheiden.
Voor processen in gesloten systemen geldt dat de totale energie gelijk blijft - zo wil het de Eerste Hoofdwet - en verder dat ze altijd eindigen met minder beschikbare, dat wil zeggen bruikbare energie dan waarmee ze begonnen, volgens de Tweede Hoofdwet. Entropie, gedefinieerd als onbeschikbare energie, is een maat voor die afname. Wanneer de entropie in een systeem toeneemt groeit ook de wanorde in dat systeem, betrokken op de deeltjes die het systeem opbouwen. De entropie is dus ook een maat voor de organisatiegraad van een systeem. Water heeft een hogere entropie dan ijs omdat de watermoleculen vrijheid van beweging hebben, dus ongeordend zijn, en ijs een geordend kristalrooster vormt. En stoom heeft een nog hogere entropie.
De Tweede Hoofdwet is de reden dat er geen perpetuum mobile kan bestaan, hoe vlijtig men er ook naar zoekt. Energie is niet gratis. En verder geeft de Tweede Hoofdwet richting aan het heelal: het is een aflopende zaak. De natuur is onomkeerbaar en heeft maar één richting: steeds meer entropie. Rudolf Clausius, die de Tweede Hoofdwet opstelde en het begrip entropie invoerde, heeft het zo geformuleerd: ‘Die Energie der Welt ist konstant, die Entropie der Welt strebt einen Maximum zu.’
Even iets over warmte, de thermodynamica is tenslotte begonnen als warmteleer. Chemische processen zijn exotherm of endotherm: er komt warmte vrij of er wordt warmte opgenomen. Die warmte lag opgeslagen als potentiële energie in het uitgangsmateriaal, resp. de omgeving. Exotherm is bijvoorbeeld de reactie waarbij gesmolten ijzer ontstaat uit thermiet, een mengsel van aluminiumpoeder en ijzeroxide, wanneer dit aangestoken wordt. Water waarin fixeerzout (hypo- of natriumthiosulfaat) wordt opgelost koelt af. Kokend water verdampt als stoom. Dit is een endotherm proces, er moet hitte toegevoerd worden hoewel kokend water niet boven de 100° C komt. Omgekeerd is de condensatie van stoom tot water exotherm: er komt hitte vrij en daarom brandt men zich veel heviger aan stoom dan aan kokend water.
Nu het scholastische probleem hoeveel engelen er op de punt van een naald kunnen dansen een topologische oplossing heeft gevonden of spoedig gaat vinden en de laatste stelling van Fermat eindelijk bewezen is, bleef er voor de theologen de brandende vraag over of de hel exotherm of endotherm is. De oplossing staat op het Internet (www.ivanlewis.com): de hel is exotherm.
De Derde Hoofdwet legt vast dat de entropie van de chemische elementen op het absolute nulpunt van de temperatuur gelijk nul is. Er is dan geen warmte meer, geen beweging van deeltjes: alle ionen, atomen en moleculen zijn tot stilstand gekomen en liggen amechtig terneer. Alles is nu geordend en niets kan kouder zijn. De grens is hier bereikt en er is geen ontsnapping mogelijk.
De absolute temperatuurschaal laat men bij het absolute nulpunt beginnen of althans bij een waarde die er heel dichtbij ligt en heeft als meeteenheid de kelvin die gelijk is aan een graad Celsius, volgens de relatie K = ae°C + 273,15. Uitgaande van een entropie gelijk nul voor de chemische elementen op het absolute nulpunt kunnen de entropiewaarden bij hogere temperaturen afgeleid worden.
Ten slotte, ‘Der liebe Gott würfelt nicht,’ volgens Einstein. Nee, God dobbelt misschien niet maar het heelal deelt wel de kaarten uit. En als de wereld een spel is waaraan wij moeten meedoen of we willen of niet, dan kunnen we de Drie Hoofdwetten zo samenvatten:
1. | Je kunt niet winnen (dat wil zeggen geen energie toevoegen). |
2. | Je kunt niet eens gelijk spelen (want de bruikbare energie neemt steeds af). |
3. | Je kunt ook niet uit het spel stappen (want het absolute nulpunt verspert de weg). |