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■ Das Wichtigste in Kürze: Bei einem freiwillig ablaufenden Prozess in einem abgeschlossenen System wird ein Teil seiner Gesamtenergie in zufällige thermische Bewegung der Teilchen im System dissipiert.

Die Bedeutung der Energiedissipation können wir anschaulich anhand eines Balls (betrachtetes System) verstehen, der auf den Boden (Umgebung) auftrifft. Nach jedem Aufschlag steigt der Ball etwas weniger hoch, da durch den (teilweise) unelastischen Stoß Energieverluste auftreten (das heißt, kinetische Energie des Balls wird in thermische Bewegung der Moleküle im Ball und im Fußboden umgewandelt). Die Richtung dieses freiwilligen Prozesses führt zu einem Endzustand, in welchem der Ball sich in Ruhe befindet: Die gesamte kinetische Energie wurde in zufällige thermische Bewegung der Atome des (formal unendlich ausgedehnten) Untergrunds und des Balls umgesetzt (Abb. 3-2).

Abb. 3-2 Die Richtung freiwilliger Zustandsänderungen für einen Ball, der den Boden entlang springt. Bei jedem Aufprall wird ein Teil der Energie des Balls in thermische Bewegung der Atome des Bodens umgewandelt, die sich dann verteilt. Der umgekehrte Vorgang wurde im makroskopischen Maßstab noch nie beobachtet.

Demgegenüber wurde noch nie beobachtet, dass ein Ball von selbst zu springen beginnt, indem er einem warmen Untergrund Wärmeenergie entzieht und sie in Arbeit umwandelt. Dazu müsste sich zunächst ein Teil der thermischen Bewegung der Teilchen des (unendlich ausgedehnten) Bodens in einem einzigen, kleinen Objekt – dem Ball – ansammeln. Dies würde eine spontane Lokalisierung der Energie aus den unzähligen Schwingungsbewegungen der Atome des Bodens auf die wenigen Atome des Balls (Abb. 3-3) erfordern. Außerdem erfolgt die thermische Bewegung der Teilchen ungeordnet; um den Ball nach oben zu heben, müssten sich alle Atome gleichzeitig in die gleiche Richtung bewegen. Dass aus zufälliger Bewegung von selbst geordnete Bewegung wird, ist so unwahrscheinlich, dass wir es als praktisch unmöglich ansehen können.¹⁾

Damit scheinen wir ein Kriterium für die Freiwilligkeit eines Vorganges gefunden zu haben: Wir müssen die Richtung des Prozesses herausfinden, die zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Gesamtenergie des abgeschlossenen Systems führt. Wir können es auf unser Beispiel mit dem Ball anwenden: Hier wird die kinetische Energie des Balls auf die thermische Bewegung der Teilchen des Untergrundes verteilt. In umgekehrter Richtung läuft der Prozess nicht spontan ab, da sich die ungeordnete Energieverteilung nicht von selbst in eine geordnete, gerichtete Bewegung verwandelt. Ein Gas zieht sich nicht freiwillig auf ein kleineres Volumen zusammen. Um das zu erreichen, müsste die ungeordnete Bewegung seiner Moleküle, die eine Verteilung der kinetischen Energie über den gesamten Behälter bewirkt, dazu führen, dass sich alle Teilchen plötzlich in einer Hälfte des Gefäßes befänden. Der umgekehrte Prozess, die Ausdehnung, ist eine natürliche Folge der gleichmäßigeren Energieverteilung bei der Zunahme des Volumens und läuft deshalb freiwillig ab. Ein kalter Gegenstand wird nicht spontan wärmer als seine Umgebung, weil es sehr unwahrscheinlich ist, dass die zufälligen Stöße der Atome der Umgebung zu einer Anhäufung von Wärmeenergie in dem Körper führen. Auch hier verläuft der umgekehrte Prozess freiwillig.

Wenn man dies alles überdenkt, erscheint es ziemlich unbegreiflich, dass im Zuge der unablässigen Ausbreitung von Energie und Stoffen, also der Verminderung des Ordnungszustands der Systeme, höchst geordnete Strukturen wie Kristalle oder Proteinmoleküle entstehen können. Wie wir jedoch bald sehen werden, ist das Streben zu größerer Unordnung, zur Verteilung von Energie und Materie, die treibende Kraft jeglicher Veränderung.

Abb. 3-3 Die mikroskopische Erklärung der Irreversibilität, die durch den Zweiten Hauptsatz ausgedrückt ist. (a) Ein Ball liegt auf einem wärmeren Untergrund; die thermische Bewegung der Atome (hier zum Beispiel zufällige Schwingungen) ist durch die Pfeile angedeutet. (b) Um den Ball spontan nach oben zu bewegen, müsste sich zufällige Schwingungsbewegung plötzlich in koordinierte, gerichtete Bewegung der Atome verwandeln; dieser Vorgang ist sehr unwahrscheinlich.