Wie verstößt die Bildung eines Sonnensystems nicht gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik?

Die Frage wird in diesem Artikel von John Baez ausführlich behandelt .

Obwohl der Artikel nur ein grundlegendes Verständnis der Physik voraussetzt, ist er wahrscheinlich ein bisschen zu viel für den Nichtphysiker, also werde ich zusammenfassen. Wenn eine Gaswolke kollabiert, werden die darin enthaltenen Teilchen auf ein kleineres Raumvolumen beschränkt, sodass die mit ihrer Position verbundene Entropie (nennen wir dies$S_P$) untergeht - im Grunde wird das System geordneter. Wenn die Wolke jedoch zusammenbricht, erwärmt sie sich und die mit der Temperatur verbundene Entropie (nennen wir dies$S_T$) geht nach oben. Die kollabierte Wolke wird natürlich irgendwann abkühlen, aber das überträgt nur die Entropie$S_T$zu den in den Weltraum abgestrahlten Photonen. Wie auch immer, die gesamte Entropieänderung für den Kollaps ist:

und das wissen wir$S_P \lt 0$Und$S_T \gt 0$also heben sich die beiden Terme gegenseitig auf.

Nur John Baez zeigt, dass sie sich nicht vollständig aufheben und die Gesamtentropie immer noch abnimmt, und dies ist, wie Sie sagen, eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes.

Was bei der Berechnung fehlt, ist die dem Gravitationsfeld zugeordnete Entropie. Dazu gab es bereits verschiedene Fragen, zB Ist die Ebenheit des Raumes ein Maß für die Entropie? , aber ich vermute, dass diese für den Laien weitgehend unverständlich sein werden. Es genügt zu sagen, dass die einfallende Materie die Stärke des damit verbundenen Gravitationsfeldes erhöht, und dies erhöht die Entropie. Schließen Sie diesen Term ein, und die Gesamtentropie ist positiv, sodass der zweite Hauptsatz nicht verletzt wird.

Die ultimative Grenze davon ist die Bildung eines Schwarzen Lochs. Obwohl ein (klassisches) Schwarzes Loch vollständig durch nur drei Parameter, Masse, Spin und Ladung, charakterisiert wird, hat ein Schwarzes Loch die maximal mögliche Entropie für das Raumvolumen, das es einnimmt.

So wie ich es verstehe, hat sich das Sonnensystem aus einer massiven Molekülwolke entwickelt. Für mich scheint dies den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu brechen, da ich denke, dass es Ordnung von Unordnung suggeriert.

Hier gibt es zwei Probleme. Das eine ist das Konzept der Entropie als Unordnung. Eine Reihe von thermodynamischen Texten hat dieses alte Konzept inzwischen verworfen. Zum einen hilft es nicht beim Verständnis der Entropie. Zum anderen ist es nicht unbedingt richtig. Was ist „Störung“? Wenn Unordnung nur ein Synonym für eine Zunahme der Entropie ist, ist die Erklärung der Entropie als Maß für die Unordnung eine bedeutungslose Tautologie. Sie müssen sehr vorsichtig sein, wenn "Unordnung" mehr als das bedeutet.

Das zweite Problem, und das ist ein viel größeres, ist, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik hier nicht gilt. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt für isolierte Systeme. Eine kollabierende Gaswolke ist kein isoliertes System. Sobald die Gaswolke ausreichend kollabiert ist, wird sie undurchsichtig. Es strahlt thermisch Energie ab. Diese abgestrahlte Energie transportiert Entropie aus der Gaswolke in das Universum als Ganzes. Das zweite Gesetz gilt für die Gaswolke und den Rest des Universumssystems. Es gilt nicht unbedingt für die Gaswolke selbst.

Tatsächlich nimmt die Entropie der Gaswolke ab, wenn die Wolke kollabiert. Daran ist nichts auszusetzen. Denken Sie an Ihre Klimaanlage. Wenn Sie Ihre Klimaanlage einschalten, verringert sich die Entropie Ihres Hauses. Ihre Klimaanlage überträgt Entropie von Ihrem Haus an die Umgebungsluft. Die kollabierende Gaswolke überträgt in ähnlicher Weise Entropie auf den Rest des Universums.

Eine gute, halbtechnische Diskussion des allgemeinen Problems (wie die Entwicklung des Universums nach dem Urknall, einschließlich der Entstehung von Galaxien, Sternen usw., mit dem 2. Hauptsatz in Einklang gebracht werden kann) findet sich hier: http: //arxiv.org/abs/0907.0659

Es ist wichtig zu erkennen, dass, während das Ensemble von Atomen in der Gaswolke tatsächlich, wie Ihre Intuition vermuten lässt, während der Entstehung der Sonne Entropie verliert, die Gesamtentropie des Universums zunimmt, weil die beim Kollaps der Gaswolke emittierten Photonen dazu beitragen viel mehr Entropie. Diese Emission kommt der Schwarzkörperemission ziemlich nahe, die die Form der Strahlung mit maximaler Entropie ist. (Dies ist nicht wirklich ein „Transport“ von Entropie; die neu erzeugten Schwarzkörper-Photonen fügen dem Universum eine beträchtliche Menge an Entropie hinzu, mehr als genug, um den Entropieverlust durch die Atome auszugleichen.)

"Mit dem Gravitationsfeld verbundene Entropie" (wie die erste Antwort vermuten lässt) ist einfach nicht relevant.