[ thermodynamica ] reversibel proces

[*gast_ZwerfEnVerwonder_*]

Dank voor deze mooie discussie! Een plezier om te lezen! Ik zou er graag wat historische noten aan toe willen voegen.

De crux is dus dat de grondleggers van de klassieke thermo niet in staat waren om processen die niet in evenwicht zijn wiskundig zodanig te bechrijven dat er bruikbare (en toetsbare) resultaten uit kwamen. Hun work-around is daarom gebaseerd op reversibele processen in combinatie met toestandsfuncties.

Klassieke thermo wordt in conceptueel opzicht lastig gevonden. Dat is niet raar, omdat het een enigszins paradoxaal vak is. Zelfs de naam is paradoxaal: "dynamica" suggereert verandering, maar de klassieke thermo beschrijft alleen evenwichtssituaties. "Thermostatica" was dus een veel betere naam geweest.

Hoe kan een beschrijving van evenwichtssituaties iets zeggen over processen zoals de expansie van een gas of een chemische reactie? Dit soort processen zijn immers per definitie niet in evenwicht. De "oplossing" werd gevonden door processen te beschrijven die zó langzaam verlopen dat ze in feite continu in evenwicht zijn. En deze processen werden vervolgens beschreven in termen van toestandsfuncties.

Een reversibel proces is een beetje te vergelijken met de kleine wijzer van de klok: als je ernaar kijkt lijkt 'ie stil te staan maar in werkelijkheid beweegt 'ie.

Een toestandsfunctie is een grootheid waarvan de waarde onafhankelijk is van het gevolgde pad. Of je nu reversibel of irreversibel een proces laat verlopen, de verandering in de waarde van de toestandsfunctie is gelijk.

Kortom, er wordt uitgegaan van geïdealiseerde processen. Dat gebeurt wel vaker en levert toch zeer bruikbare resultaten op (dat is een understatement). Denk bijvoorbeeld aan de ideale gaswet. Alleen bij zeer hoge drukken is die wet niet toereikend om het gedrag van gassen met enige nauwkeurigheid te beschrijven. Onder alledaagse omstandigheden voldoet de gaswet uitstekend. Met reversibele processen zijn ook baanbrekende natuurwetten gevonden: de 1e en 2e hoofdwet.

Het intellectuele hoogstandje dat Carnot, Clausius en velen met hun hebben uitgehaald heeft als neveneffect dat het vak conceptueel moeilijk is geworden. Ik zou de studenten niet de kost willen geven die moeiteloos met alle formules goochelen (de wiskunde is namelijk helemaal niet zo moeilijk) maar bijvoorbeeld de macroscopische interpretatie van entropie niet beheersen. Door het kunst- en vliegwerk met reversibele processen loop je constant het risico een denkfout te maken.

Als reactie op het bovenstaande is uiteindelijk de niet-evenwichtsthermodynamica ontwikkeld. Dit vak heeft helemáál de reputatie om ondoorgrondelijk te zijn, maar ik deel die mening niet. Het is een fantastisch vak en is conceptueel véél makkelijker dan klassieke thermo. De opbouw is logisch en consistent. Er is geen gekunstel meer met geïdealiseerde processen. Keerzijde is wel dat de wiskunde iets pittiger is geworden, maar niet eens zoveel (zelfs ik snap 't, en ik ben allesbehalve een kei in wiskunde). Geen enkel ander vak heeft mij zoveel inzicht in de natuur verschaft als de NET (ik kort 't even af). Tegenwoordig heeft het vak veel raakvlakken met de chaostheorie, met informatietheorie (waaruit een totaal nieuwe definitie van entropie naar voren is gekomen die de "oude" interpretatie wellicht volledig zal verdringen), met de statistische mechanica, de quantummeachnica en met vele andere (sub)disciplines in de fysica, de chemie en de biologie.

[Rov]

Tegenwoordig heeft het vak veel raakvlakken met de chaostheorie, met informatietheorie (waaruit een totaal nieuwe definitie van entropie naar voren is gekomen die de "oude" interpretatie wellicht volledig zal verdringen)

De klassieke (die van Clausius) definitie voor entropie (dS = dQ/T) is perfect bruikbaar in dagdagelijkse situaties. Het is pas op atomair niveau dat we de nieuwe (die van Boltzmann), statistische definitie voor entropie (S = k_b log(W)) toepassen. Alle wetten voor klassieke thermodynamische processen zijn perfect af te leiden uit de statistische mechanica. Waarom al die wiskunde gebruiken voor een simpel probleem? Om het aan te duiden met een zin die je hier wel vaker leest, waarom met een kanon op een mug schieten ?

[ZwerfEnVerwonder]

Dat ben ik in grote lijnen met je eens. Mijn opmerking ging over het mogelijk verdringen van de "oude" notie van entropie door informatie-entropie , niet door de microscopische notie van Boltzmann.