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Erklärung basierend auf dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik ist eines der grundlegenden Prinzipien in der Physik, das in verschiedenen Formulierungen ausgedrückt werden kann. Eine der häufigsten Formulierungen besagt, dass in einem abgeschlossenen System die Entropie, die ein Maß für die Unordnung oder Energieverteilung innerhalb des Systems ist, entweder gleich bleibt oder zunimmt. Dies bedeutet, dass Energie von einem Zustand höherer Ordnung zu einem Zustand niedrigerer Ordnung oder von konzentrierterer Form zu einer verteilteren Form übergeht.
Beispiel 1: Eine heiße Tasse Tee erwärmt sich noch mehr, indem sie der Umgebung Wärme entzieht
Dieses Beispiel verstößt nicht gegen den Energieerhaltungssatz, der besagt, dass Energie in einem geschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt oder zwischen Systemen übertragen werden kann. Wenn eine heiße Tasse Tee noch heißer werden würde, indem sie Wärme aus ihrer kühleren Umgebung absorbiert, würde das auf den ersten Blick bedeuten, dass Energie von einem kühleren auf einen heißeren Körper übergeht. Das steht jedoch im Widerspruch zum 2. Hauptsatz der Thermodynamik, da solch ein Vorgang eine Abnahme der Entropie bedeuten würde. In realen Szenarien fließt Wärmeenergie spontan von Objekten höherer Temperatur zu Objekten niedrigerer Temperatur, was zu einer Zunahme der Gesamtentropie des Systems und der Umgebung führt.
Beispiel 2: Ein am Boden liegender Stein springt plötzlich mehrere Meter hoch in die Luft
Auch dieses Beispiel verstößt nicht gegen den Energieerhaltungssatz, denn theoretisch könnte die für den Sprung erforderliche Energie von irgendwo herkommen. In der Praxis würde dieser Vorgang jedoch bedeuten, dass Energie konzentriert und in mechanische Arbeit umgesetzt wird, ohne dass eine äußerliche Einwirkung (zum Beispiel eine externe Kraft) vorhanden ist. Gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik ist ein solcher spontaner Übergang von potenzieller oder anderer Form von Energie in geordnete Bewegungsenergie (welche den Stein hochspringen lassen würde) äußerst unwahrscheinlich, da er eine signifikante Abnahme der Entropie im lokalen System (dem Stein und seiner unmittelbaren Umgebung) ohne Kompensation bedeuten würde. In der realen Welt würde der Stein liegen bleiben, es sei denn, Energie wird auf eine dem 2. Hauptsatz entsprechende Weise zugeführt, zum Beispiel durch das Anheben und Loslassen des Steines durch eine Person.
Zusammenfassung
Beide Beispiele verstoßen zwar nicht direkt gegen den Energieerhaltungssatz, sind aber aufgrund des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik nicht möglich. Der 2. Hauptsatz legt fest, dass Energieübertragungen oder -transformationen in einer Richtung stattfinden, die zu einer Zunahme der Gesamtentropie des Systems und seiner Umgebung führt, was gegen die spontane Konzentration von Energie oder gegen den spontanen Fluss von Wärme von kühleren zu wärmeren Körpern spricht.
