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Entropie mal ganz einfach

geschrieben von gerrit 
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Entropie mal ganz einfach
18. November 2005 22:43
Wenn jüngste Forschungsergebnisse stimmen, ist die Thermodynamik sehr viel einfacher als bislang angenommen: Die Entropie ist nichts weiter als die Anzahl der Energiequanten, und jedem dieser Quanten kann eine Temperatur, proportional zur seiner Energie, zugeordnet werden. (Die Temperatur einer Menge von Energiequanten berechnet sich als arithmetisches Mittel der Quantentemperaturen.)
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik erhält damit zwei weitere, sehr anschauliche Formulierungen: A) Die Anzahl der Energiequanten steigt in isolierten Systemen an. B) Die innere Temperatur isolierter Systeme kühlt sich ab.

Wer die Schritte zu diesen Errungenschaften nachvollziehen möchte: www.hese-project.org/de/physik/Pikora-NQTD_(06.09.2005).pdf.

„Nichtgleichgewichtssysteme“ können Selbsterhaltung erreichen, indem sie sich heiße Quanten aus der Umgebung einverleiben (Energienahrung) und kalte Quanten auspumpen (Energiemüll). Im Innern solcher Systeme findet also eine Quantenproduktion statt, und umso höher diese Produktionsleistung ist, desto gesünder (leistungs-, widerstands-, regenerationsfähiger) ist das System.

Ausführlicher: www.hese-project.org/de/physik/Pikora-Gesundheit_ist_messbar_(21.09.2005).pdf

Diese Ergebnisse führen zu revolutionären Erkenntnissen in nahezu jedem naturwissenschaftlichen Fachgebiet, u.a. Evolution, Ökologie, Meteorologie, Klimatologie, Medizin und Photovoltaik. Jetzt lässt sich z.B. die Homöopathie naturwissenschaftlich fassen. Von besonderer Brisanz dürften aber die Auswirkungen auf die Elektrosmog-Debatte sein.

Doch was bedeuten diese Ergebnisse für die Chaostheorie?

Es heißt, dass jedes nichtlineare mathematische System chaotisches Verhalten (im Sinn der Chaostheorie: Selbstorganisation, Selbstähnlichkeit...) zeigen könne. Wenn das so ist, dann muss die Nichtlinearität der Grundgleichungen physikalischer Systeme gleichzusetzen sein mit der Fähigkeit zur Quantenproduktion.

In der Hoffnung auf ungläubige und skeptische oder enthusiastische und vielleicht kluge Fragen und Meinungen zur Neuen Quantenthermodynamik.
Kos
Re: Entropie mal ganz einfach
20. November 2005 01:12

Hi, gerrit!

Ich versuche mal klug zu wirken, bleibe ansonsten aber eher skeptisch. Allerdings, da ich nur ein interressierter Laie bin und dem mathematischen Teil nicht folgen konnte, bleibt mein Beitrag wohl eher ohne größere Bedeutung. Was solls, habe grade eher nichts besseres zu tun. Also, hier kommt sie, meine bescheidene Meinung, die du ja haben wolltest.

So wie ich das sehe, wird hier einfach der schwammige Begriff der Energie (wurde mal als reine Hilfsgröße eingeführt, um rechnen zu können) durch einen nicht minder schwammigen Begriff des Energiequanten (Quant = diskreter Energiezustand. Energiequant? --- kopfkratzen) ersetzt. Damit wäre aber noch nichts gewonnen, also stellt man einfach noch ein paar Behauptungen auf.
Die Annahmen der Quantenelektrodynamik stimmen also nicht, ja, auch die experimentel am besten bestätigte Theorie muss nicht immer recht haben. Damit kann ich leben. Aber was wird im Gegenzug angeboten? Die Energiequanten wechselwirken da also irgendwie mit der Materie. Dabei erweist es sich als praktisch, dass sich diese Wechselwirkung wegen der Unschärferelation nicht bestätigen lässt, da man sie gar nicht messen kann.
Dem Energiequant eine eigene Temperatur zu verpassen ist jetzt nur noch ein Klacks. Um die ganze Sache abzurunden, wird noch der Einstein bemüht, ein erklärter Gegner der Quantentheorie, der die Ganze Angelegenheit kurzerhand in den Bereich der Metaphysik verfrachtet (intensives Kopfkratzen --- diskreditiert sich hier die NQTD selber?).
Am meisten gewundert habe ich mich jedoch über die Feststellung, dass man einem Körper Wärme zuführen kann und der Körper dabei abkühlt. Also echt, bald hab ich keine Haare mehr.
Aber jetzt mal angenommen, das ganze stimmt schon irgendwie. Wie lässt es sich denn praktisch anwenden? Wenn Das Maß für die Entropie die Anzahl der Energiequanten in einem System ist, diese aber sich nicht bestätigen lässt, dann haben wir was? Ich weiß es nicht.

Na ja, bis dann.
Re: Entropie mal ganz einfach
21. November 2005 22:17
Hallo, Kos. Danke für Deine skeptische, wenn auch polemische Resonanz. Ich möchte einiges richtig stellen, damit hier durch Deine Antwort im Forum die NQTD nicht abgewertet wird (auch geschriebene Worte haben Macht). Ich will dabei versuchen, obwohl meine Antworten dann vielleicht langweiliger klingen, nicht so lax in der Begründung zu sein und nicht ganz so lässig zu wirken wie Du.

A) Du hängst Dich sehr an der Quantisierung der Energie auf, die konzeptionell ein eher alter Hut ist.
Im muss hier richtig stellen, dass die NQTD nicht aussagt, dass die Quantenelektrodynamik (QED) fehlerhaft sei. Auf Seite 6 des 1. Artikels steht, dass die QED mit der Annahme arbeitet, dass Photonen beim Absorptionsvorgang ausgelöscht werden. Ausführung: Die Gleichungen der QED lassen keinen Blick in den inneren Wechselwirkungsprozess z.B. zwischen Elektron und Photon zu. Dieser verschwindet in einer black box. Die Endresultate des abgeschlossenen Wechselwirkungsprozesses aber werden statistisch exakt beschrieben. Weil Aussagen über dieses mögliche innere Wechselspiel nicht möglich sind, wird von der QED die Deutung bevorzugt, es gäbe kein solches und ein Photon werde durch die Absorption vernichtet und bei der Emission neu geschaffen. Von dieser Deutung abweichend vertritt die NQTD eine kontinuierliche Existenz der Energiequanten. Anders als ihre Deutungen stehen die Gleichungen der QED und NQTD aber nicht im Widerspruch!

Die NQTD geht aber aufgrund von Indizien davon aus, dass auch von Materie absorbierte Energie von gequantelt ist. Das hauptsächliche Indiz liegt in der Entropieerhaltung beim Absorptionsvorgang. Es verhält sich entropisch so, als sei das Photon gefangen worden, nicht ausgelöscht.

Die NQTD weist an diesem Punkt (1. Artikel, Seite 6) darauf hin, dass die Quantisierung der Wechselwirkungsenergie nicht falsifiziert werden könne und dass sie streng genommen Metaphysik, keine Physik (im engeren Sinn) sei. Die Physik versucht sich an dem Popperschen Falsifikationskriterium zu orientieren, d.h. ihre Theorien sollten nicht mehr beschreiben, als messbar und somit falsifizierbar ist. Wenn aber eine über diese Grenze hinausgehende Theorie zu Vereinfachungen und mehr Anschaulichkeit führt, so hat sie durchaus (wenigstens als Modell) ihren physikalischen Sinn. Und in der Physik hat es zu allen Zeiten von solchen Modellen gewimmelt, und sie werden nie ausgehen, weil Physiker keine Techniker sind, sondern Naturphilosophen, die also nach Erkenntnis suchen.
Und insbesondere die Entropie schreit förmlich nach mehr Anschaulichkeit.

B) Noch etwas: Einstein war kein Gegner der Quantentheorie, sondern einer ihrer Mitbegründer. Nur die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie, die den Determinismus in mikroskopischen Dimensionen aufhebt, die schmeckte ihm nicht.

C) Die Temperatur wird heute meist molekularkinetisch gedeutet oder erklärt. Da aber auch Wärmestrahlung (besteht nur aus Photonen) eine Temperatur hat, ist diese Deutung keine Definition. Probleme des Begriffs der Temperatur sind, dass sie bislang nur eine makroskopische Größe ist, d.h. nicht auf Quantenebene definiert ist. Die NQTD zeigt nun, dass es möglich ist, auf den Begriff der Temperatur gänzlich zu verzichten und nur noch mit dem Begriff der Energie zu arbeiten. Ich halte das für eine beachtenswerte Leistung, keinen „Klacks“.

D) Die NQTD enthält (meiner Ansicht nach) keinerlei Widersprüche zum Haus der Physik. Mit einer Ausnahme: Die Statistische Thermodynamik (landläufig Quantenthermodynamik genannt) berechnet im Fall der Hohlraumstrahlung die Entropie eindeutig falsch (siehe 1. Artikel). Daher muss die Stat. Thermodynamik, was Photonen betrifft, korrigiert werden, und direkt daraus resultiert die NQTD.
Wenn Du aber ernsthafte Widersprüche findest, dann darfst Du gern abfällig von der NQTD reden.

E) Die NQTD besagt, dass Wärmezufuhr nicht notwendigerweise mit Temperaturerhöhung verbunden ist. Die Bezeichnung „Wärme“ suggeriert leider, dass Wärmezufuhr immer auch zu einer Erwärmung führen müsse. Dies ist aber falsch, weshalb man vielleicht auf den nicht der Umgangssprache entlehnten Begriff des Caloricums anstatt der Wärme zurückgreifen sollte.
Warum aber ist dieser Zusammenhang nicht allgemeingültig? Die Zufuhr einer bestimmten Wärme dQ kann sowohl durch ein einzelnes (hochfrequentes) Photon als auch durch „unzählige“ niederfrequente Photonen erfolgen, in der Sprache der NQTD: durch ein heißes Quantum oder durch unzähige „arschkalte“ Quanten.
Bestrahlt man nun ein einfaches Gas (mit bestimmten diskreten Absorptionsbanden) gegebener Temperatur mit diesen unterschiedlich temperierten Strahlungen, so zeigt das heiß bestrahlte Gas durch die Emission der zuvor absorbierten heißen Photonen kurzfristig eine Temperaturerhöhung. Das kalt bestrahlte Gas hingegen emittiert jetzt auch die zuvor absorbierten kalten Photonen, so dass es kälter wirkt als vor der Bestrahlung. Ich hoffe, dieses Beispiel konsolidiert den Satz, der Dich so viele Haare gekostet hat. Wärmestrahlung kann nicht nur kalt sein, sie kann auch abkühlen.

F) Zur Frage der praktischen Anwendung: Im Schriftenreihen-Band von ecophys research, aus dem die Artikel entlehnt sind, wird auf die enorme Breite des Anwendungsfeldes tiefer eingegangen.
Doch ein schönes praktisches Beispiel findet sich bei der Bewertung der gesundheitlichen Wirkung niederfrequenter Strahlung (Elektrosmog). Das Argument der Gegner der Theorie vom Elektrosmog ist die geringe Energiedichte der niederfrequenten EM-Felder (Mikrowelle, Handy...). Die NQTD besagt aber, dass Nichtgleichgewichtsstrukturen wie Lebewesen ihren inneren Zerfall (nach dem 2. Hauptsatz) nur durch Export der kalten Energiequanten (Energiemüll) verbunden mit dem Import heißer Energiequanten (Energienahrung) bzw. mit der Aufnahme von Arbeit kompensieren können. Lebewesen sind also bemüht, ihren Energiemüll (kalte Quanten) los zu werden, zu exportieren. Diesem Bemühen wirkt Elektrosmog entgegen, weil hier in äußerst kalten Bereichen (unter 1 Kelvin) Photonen absorbiert und zu wärmeren Energiequanten zusammengefügt werden. Die Absorption von niederfrequenter Strahlung verschlechtert damit die Entropiebilanz des Organismus. Die thermodynamische Gesundheit nimmt ab, und es treten diffuse, individuell verschiedene Schwächesymptome auf. Bäume sind übrigens sehr viel stärker von diesem Phänomen betroffen (Stichwort: Waldsterben).
Die NQTD erklärt somit auf sehr einfache Weise die Wirkungsweise von Elektrosmog.

G) Die thermodynamische Definition der Entropie in Verbindung mit dem 3. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie gleichgewichtiger Systeme durch reversible Abkühlung experimentell gewinnbar ist. Die Anzahl der Energiequanten lässt sich also für im thermodynamischen Gleichgewicht befindliche Systeme messen. Für Nichtgleichgewichtssysteme ist das nicht so einfach.

So. Mein Teil wäre zu dem Deinen gesagt...

Kos
Re: Entropie mal ganz einfach
22. November 2005 23:02


Hallo, gerrit! Also einiges vorneweg: ich hatte keineswegs vor, sich über irgendetwas abfällig zu äußern. Das ist nur mein Schreibstil, ich steigere mich da manchmal etwas zu sehr rein, he he. Tja, skeptisch eingestellte Menschen neigen nun mal zu Zinysmus.

Aber was soll`s. Jedenfalls habe ich ja jetzt Deine Antworten, und manche Sachen dabei lassen mein armes Hirn wieder anschwellen (was gut ist, das hält meine Haare fest).

Also zu

A) Habe ich da was verpasst? Was heißt es überhaupt "konzeptionell ein eher alter Hut"? Ist diese Vorstellung (ja, ich weiß auch, daß sie von Einstein stammt) nun überholt oder nicht? Soweit ich weiß, werden mittlerweile nicht nur Energie, sondern auch Raum und Zeit "gequantelt". Soviel zum ersten Satz, nun zum Rest.

Das hat mich ja eben gestört.
QED sagt: Wir können nicht beobachten, was da passiert, also lasst uns das beschreiben, was wir beobachten können. Wahrscheinlich verschwinden Photonen aber, da wir von solchen Vorgängen anderswo wissen. Z.B. virtuelle Teilchen im Vakuum.
NQTD sagt: Die Photonen zerfallen/gehen über in Energiequanten. Wir können es zwar nicht beweisen, aber lasst uns mal rechnen, was das für unser Entropieproblem bedeutet.
ICH sage: Kleine grüne Männchen schnappen sich die Photonen und rennen anschließend damit herum, so dass den Männchen heiß wird. Wenn sie müde werden, schmeißen sie die Photonen wieder weg. Der Fittnessgrad sowie die Anzahl der Männchen beschreiben den Ausmaß der Entropie. Anschaulicher geht`s kaum.
Willkommen in der Welt der Metaphysik.

B) gab`s nicht, also weiter zu

C) Irgendwie merkwürdig. Entweder wird die Temperatur makroskopisch erklärt, dann darf die Wärmestrahlung keine haben. Oder die Wärmestrahlung hat Temperatur (hat ja auch) dann... dann... habe ich bald eine Glatze. Oder vielleicht so (ich weiß es eben nicht): Die Temperatur der Wärmestrahlung ist die Temperatur, um die ein Körper erwärmt wird, wenn er diese Strahlung absorbiert. Rein intuitiv macht es, zumindest für mich, Sinn. Steht aber in Widerspruch zu Deinem Beispiel aus E). Egal wie niederfrequent wir das Gas bestrahlen, das erwärmt sich eben doch, wenn auch gering.

D) Muss ich passen, verstehe absolut nichts von Hohlraumstrahlung.

E) siehe C)

F) Da sind wir wieder beim Nachweisen, nicht? Und kann man den Effekt denn nun genau berechnen? Was weiß ich, wenn wir die und die Stärke des el. Feldes haben, dann...

G) Muss ich wieder passen. Kann mich nur dunkel errinern, dass Entropie irgendwas mit dem 2. Satz zu tun hat, oder? Lokal kann die Entropie irgendwie abnehmen (höhere Ordnung), aber nur auf Kosten Entropiezunahme irgendwoanders. Siehe organisiertes Leben auf Erde und die Sonne. So gesehen verstehe ich nicht, wie ein System überhaupt zum Gleichgewicht kommen soll. Aber das nur so am Rande, ich verstehe ja vieles nicht.

Und nun zum Einstein. Ich denke, man kann ihn durchaus als einen Gegner der QT betrachten, denn die Aufhebung des Determinismus ist vielleicht die merkwürdigste Aussage dieser Theorie. So wie bei RT die Zeitdehnung. Bohr hat mal zu Einstein gesagt, sinngemäß (das genaue Zitat habe ich jetzt nicht im Kopf, das Hirn drückt so): Mein Freund, Sie beschämen mich. Sie kämpfen jetzt genauso gegen die QT an, wie früher Ihre Gegner gegen die RT.
Oder, vielleicht, wie ich gerade gegen NQTD, he he.

Tja, ich hoffe, bald schreibt hier noch jemand was rein, dann sehen wir klarer.

Bis dann.