Irreversibler Prozess
Thermodynamik
Basiswissen
Als irreversible bezeichnet man einen Prozess, der in einem abgeschlossenen System nicht umkehrbar ist, ohne Veränderungen im System zu hinterlassen. Ein System im Sinne der Physik gilt als abgeschlossen, wenn keinerlei Austausch zwischen dem System und seiner Umwelt möglich ist. Das ist hier kurz vorgestellt.
Der Wärmetod des Universums als Beispiel
Die Gewinnung von mechanischer Arbeit aus einem Temperaturunterschied ist ein irreversibler Prozess. Man kann mit Hilfe von 90 °C heißem Wasser und 10 °C kaltem Meereswasser Wärmeenergie vom heißen zum kalten Wasser fließen lassen und damit zum Beispiel einen sogenannten Sterling-Motor antreiben. Der Motor nutzt die Temperaturdifferenz zur Erzeugung mechanischer Arbeit und ist damit eine sogenannte Kraftmaschine. Es ist jedoch unmöglich, die erzeugte mechanische Arbeit vollständig wieder zurück zu verwandeln, und den ursprünglichen Zustand der zwei Gefäße mit 90 °C heißem und 10 °C kaltem Wasser herzustellen. Die insgesamt im System vorhandene Energie bleibt zwar erhalten (erster Hauptsatz der Thermodynamik), aber davon wird mit jeder Umwandlung von Energie immer weniger verfügbar sein. Auf das gesamte Universum übertragen spricht man hier auch von einem sogenannten Wärmetod. Das Gegenteil von einem irreversiblen Prozess ist ein reversibler Prozess ↗
Fußnoten
- [1] Eine längere Herleitung der Idee irreversibler Prozesse gab Max Planck im Jahr 1908: "Während das Energieprinzip den Ablauf der natürlichen Vorgänge dadurch begschränkt, daß es niemals Schöfpung oder Vernichtung von Energie, sondern nur Umwandlugnen von Energie zuläßt, geht der zweite Hauptsatz in der Beschränkung noch weiter, indem er nicht alle Arten von Umwandlungen, sondern gewisse nur unter gewisen Bedingungen gestattet so läßt sich mechanische Arbeit ohne weiteres in Wärme verwandeln, zum Beispiel durch Reibung, aber nicht umgekehrt Wärme ohne weiteres in Arbeit. Wäre das nämlich mögich, so könnte man etwa die Wärme des Erdbodens, die uns ja unbeschränkt zur Verfügung steht, zum Antrieb eines Motors verwenden und hätte dabei den doppelten Vorteil, diesen Motor, da er den Erdboden abkühlt, zugleich als Kältmeaschine benutzen zu können. Aus der erfahrungsgemäßen Unmöglichkeit eines derartigen Motors, der auch als ein Perpetuum mobile zweiter Art bezeichnet wird, geht nun mit Notwendigkeit hervor, daß es Vorgänge in der Natur gibt, die auf keinerlei Weise vollständig rückgängig gemacht werden können. Denn ließe sich zum Beispiel ein Reibungsvorgang, durch welchen mechanische Arbeit in Wärme verwandelt worden ist, mit Hilfe irgendeines, wenn auch noch so komplizierten Apparats auf irgendeine Weise wirklich vollständig rückgängig machen, so wäre eben der betreffene Apparat nichts anderes als der vorhin geschilderte Motor: ein Perpetuum mobile zweiter Art. Dies erhellt unmittelbar, wenn man sich deutlich vorstellt, was der Apparat leisten würde Verwandlung von Wärme in Arbeit ohne jegliche anderweitig zurückbleibende Veränderung. Nennen wir einen solchen Vorgang, der sich auf keinerlei Weise vollständig rückgängig machen lässt, einen irreversiblen Prozeß, alle übrigen Vorgänge reversible Preozesse, so treffen wir gerade den Kernpunkt des zweiten Hauptsatzes der Wärmetheorie, wenn wir sagen, daß es in der Natur irreversible Prozesse gibt. Demnach haben die Veränderungen in der Natur eine einseitige Richtung mit jedem einzelnen irreversiblen Prozeß macht die Welt einen Schritt vorwärts, dessen Spuren unter keinen Umständen vollständig zu verwischen sind. Beispiel für irreversible Prozesse sind außer der Reibung die Wärmeleitung, die Diffusion, die Elektrizitätsleitung, die Emission von Licht- und Wärmestrahlung, der Atomzerfall radioaktiver Substanzen u. a. Beispiele reversibler Prozesse sind dagegen die Planetenbewegung, der freie Fall im luftleeren Raum, die ungedämpfte Pendelbeweung, die Fortpflanzung von Licht- und Schallwellen ohne Absorption und Beugung, die ungedämpften elektrischen Schwungen u. a." In: Die Einheit des physikalischen Weltbildes. Vortrag, gehalten am 9. Dezember 1908 in der naturwissenschaftlichen Fakultät des Studentenkorps an der Universität Leiden.