Entropie im Hochmoor

Wingr · Gast

Meine Frage:
Ich soll die Entropie in einem Hochmoor/Regenmoor erkären.

Leider weiß ich nicht so recht, wie ixch an diese Aufgabe rangehen soll. Nimmt die Entropie zum Beispiel in einem Hochmoor zu oder ab? Oder ist sie im Gleichgewicht?
Ich würde mich über kstruktive Denkanstöße freuen.

Meine Ideen:
Da in einem intakten Hochmoor der Torf stetig zunimmt, würde ich zunächst sagen, dass die Entropie zunimmt, da wir in diesem System immer mehr Teilchen haben, also auch eine größere Unordnung.

Allerdings ist ja die Biomasseakkumulation größer als die Zersetzung, wodurch prozentuall gesehen weniger zersetzt wird. Bei der Zersetzung wird allerdings Wärme frei. Da Wärme weniger nutzbare Energie ist, würde ja mit einer höheren Zersetzung auch mehr Entropie entstehen. Demnach verringert sich doch die Entropie im Hochmoor, da nicht so viel zersetzt wird, oder?

Hedera · Anmeldungsdatum: 08.03.2011 Beiträge: 657

Bist du dir sicher, dass du die Entropie meinst und nicht die Eutrophierung?
Entropie anhand eines Hochmoors macht in meinen Augen sehr sehr wenig Sinn! Du betrachtest das ganze ja nicht Molekular.

Wingr · Gast

Ja, es geht schon um Entropie!!!

Das Hochmoor soll dabei als System betrachtet werden. In einem geschlossenen System nimmt die Entropie immer zu. In einem offenen System allerdings (z.B. Hochmoor), kann die Entropie durch bestimmte Prozesse auch abnehmen; dies ist aber mit einem höheren Export an Entropie nach außen hin verbunden.

Hedera · Anmeldungsdatum: 08.03.2011 Beiträge: 657

Das was du schreibst stimmt zwar alles soweit, aber ich verstehe nicht so ganz, warum/wie man ein Hochmoor hinsichtlich Entropie betrachten will....

Normalerweise würde ich dir jetzt ein paar Formeln hier hinschreiben und sagen, dass du mit denen deine Entropie berechnen kannst. Würde dich auf die Gesetze der Thermodynamik hinweisen usw....

Das Problem ist aber:
Du willst den Begriff "Entropie" auf ein System anwenden, für welches er überhaupt nicht definiert ist. Entropie beschreibt rein Molekular. Es gibt anschauliche Beispiele, wie zB. das Zimmer, dass mit der Zeit automatisch unordentlich wird und so, aber das sind alles nur Didaktik und soll sowas veranschaulichen.

Aber sei's drum... Also wenn du irgendwie sowas wie Entropie in einem Hochmoor betrachten willst, dann musst du zunächst beschreiben, worauf du dich beziehst.

Da überwiegend Torfmoos zur Torfbildung beiträgt, nimmt die Entropie zunehmend im Rahmen eines Gleichgewichtes zu.
Damit ist gemeint, dass du die Bildung neuer Moose und deren Absterben im Gleichgewicht betrachtest. Da du aber zunehmend Mooszesetzung hast sammelt sich Torf an.
Da Torf im Gegensatz zu den Moosen eine höhere Entropie besitzt, nimmt sie im Moor stetig zu.
Mach wir das mal mit Zahlen:
Du hast 10 Moose und 5 Torf (Einheit ist egal, da ich dir nur verdeutlichen will, wie ich das meine). Nun sterben 5 Moose ab. Du hast also 5+5 Torf. Da aber auch gleichzeitig neue Moose wachsen (egal ob jetzt die vorhanden ihre Biomasse erhöhen oder wirklich neue Torfmoose wachsen) und das eben im gleich gewicht ist, hast du 10 Moose - 5 zu Torf gewordene Moose + 5 Neue = 10.
Die Bilanz ist dann:

10| 5
10-5+5 | 5+5
------------------
10 | 10

Wenn du das so weiterführst hast du halt immer 10 Moose und 5+5*n (wobei n die anzahl der Durchgänge ist) Torf.

Für das System heißt es daher, dass zunehmend die Entropie zunimmt. Für die Moose und Torf bleibt die Entropie gleich, weil sie so oder so Konstant ist.

So jetzt kommt das gesamte Problem:
Wer sagt mir überhaupt, dass Torf in Bezug auf Moos eine höhere Entropie hat? Man spricht ja immer vom Ordnungsgrad und ich würde mal behaupten, dass der bei einem Organismus enorm hoch ist. Daher muss da sehr viel Energie reingesteckt worden sein. Aber was ist, wenn Torf diese Energie 1:1 Übernimmt? Wie soll man das Quantifizieren?

Was du auch immer genau mit deiner Entropie und Hochmoor genau willst, ich muss ehrlich gesagt gestehen, dass ich nicht viel davon halte. Vielleicht hast du das auch alles nur etwas ungünstig dargestellt, aber generell kannst du nur sehr sehr wenig dazu sagen. Du musst die Rahmenbedingungen dafür genau definieren und das hast du leider nicht getan.

Von daher erzähl doch mal, worum es eigentlich genau geht? Du hast ja auch den anderen Thread mit der Rückkopplung erstellt. Offenbar geht es dir irgendwie um die Umsetzung von Pflanzen zu Torf oder?

Wingr · Gast

Also ich versuche es:

Ich hab ein Geosystem - das Hochmoor. Dieses ist ein offenes System, da ein Energie und Stoffaustausch mit der Umgebung besteht. Jedes System besteht wiederum aus weiteren Teilsystemen (z.B. System Torfmoos). (Und diese wiederum aus noch kleineren Teilsystemen).

In einem Geosystem ist die Entropie die Summe der Entropien der Teilsysteme.

Innerhalb eines Geosystems laufen ständig chemische, physikalische und biologische Vorgänge ab; während dieser Vorgänge wird die Entropie immer größer, da Systeme die größte Unordnung anstreben.

Dass die Entropie immer zunimmt, gilt nur für geschlossene Systeme.

In offenen Systemen kann die Entropie auch minimiert werden um eine Ordnung zu schaffen. Hierfür ist allerdings Energie nötig.
Beispiel: Das System Torfmoos strebt wie alle natürlichen Systeme bein spontanen Abläufen eine Unordnung an. Er muss Zellatmung betreiben, seine Proteine denaturieren, Zellen werden beschädigt. Um diese Unordnung zu minimieren muss Torfmoos Glukose herstellen, Zellen regenerieren, wachsen etc. Dies kann er nur mit Energiezufuhr (da ein offenes System, kein Problem, denn Input: Sonnenenergie) erfolgen. Der Preis für diese Ordnung ist allerdings eine Entropieerhöhung in ihrer Umgebung (Abgabe von Wasser im gasförmigen Zustand aber Aufnahme im flüssigen Aggregatzustand, gasförmig=entropiereicher).
Lebewesen vermindern in sich die Entropie auf Kosten der Erhöhung der Entropie in der Umgebung.

Solche entropieminimierenden oder entropieerzeugenden Prozesse soll ich im Bereich Hochmoor herausfinden.

Die Entropie lässt sich zwar nur molekular betrachten aber (zu dem Beispiel mit dem Torfwachstum): Torfwachstum ist ja nichts anderes als das eine Molekülakkumulation, oder? Ist das dann nicht ein entropiereicher Zustand?

Wie gesagt, ich suche nach weiteren Prozessen...
Und als Endresultat muss ich feststellen, wie groß im Hochmoor die Summe der Entropien der Teilsysteme ist. So lautet die Aufgabe (eine von 5) vom Prof. na ja

Hedera · Anmeldungsdatum: 08.03.2011 Beiträge: 657

Ach so ist das gemeint...
Das macht jetzt zwar mehr Sinn, wie es gemeint ist, aber ist meines Erachtens immernoch ziemlich dämlich. Du summierst munter irgendwelche Entropien auf, die du dir irgendwie zusammen bastelst und willst das dann als Entropie des Hochmoors verkaufen.
Theoretisch geht das und theoretisch ist das dann auch völlig richtig, aber praktisch scheitert es schon allein daran, dass du im Torpfmoos nicht alle Prozesse lokalisieren kannst, die thermodynamisch berücksichtig werden müssen. Schon wenn du nur die thermodynamik der Glycolyse und des Citratcyclus rein bringst wird das zu viel!
Du kannst daher nur eine sehr sehr grobe Aussage treffen.

Wingr · Gast

Danke für die Denkansätze und die Kritik.
Der Hinweis mit der Energieerzeugung durch das Verbrennen des Torfs hat sich bei meiner weiteren Ausarbeitung als hilfreich herausgestellt. Thumbs up!

Der Link ist übrigens ebenfalls sehr hilfreich. Dort wird zum Beispiel auch auf deine Kritik eingegangen.

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

Entschuldigt die Einmischung, doch einige Anmerkungen seien mir gestattet:

Zum einen bedeutet eine niedrige Entropie nicht immer einen hohen Ordnungsgrad, als Beispiel sei hier die Biomembran erwähnt. Die "geordnete" Biomembran hat eine höhere Ordnung als die ungeordnete, gleichmässige Verteilung der Fettröpfchen in wässriger Lösung, doch auch eine höhere Entropie. Für einige Proteine gilt ähnliches auch intramolekular.

Zudem sind die Thermodynamik und der Entropiebegriff nicht nur auf molekulare Systeme anzuwenden. Soweit ich mich erinnere, wurde der Energieerhaltungssatz erstmals im Zusammenhang mit der Dampfmaschine formuliert, die ja alles andere als ein molekulares System ist.
Mit der Thermodynamik sollen ja die "Mikrozustände" beschrieben werden -oder besser ihre Summe oder Zahl- die gewisse "Makrozustände" ermöglichen. Es muss also für alle Makrosysteme gelten. Die Definition des Entropiebegriffes schränkt dabei die "Grösse" des Systems nicht ein.

Ich kenne mich nicht mit Mooren aus und kann damit keine Aussage über die Sinnhaftigkeit der hier diskutierten Betrachtungen formulieren geschweige denn der praktischen Anwendbarkeit auf dieses Thema, mir geht es lediglich um den Begriff als solchem. Denn wenn du, Hedera, sagst, dass das Beispiel mit dem unaufgeräumten Zimmer lediglich ein Didaktikum darstellt, so solltest du das nach meiner Meinung für den Begriff der Ordnung nicht unterschlagen, denn auch dieser ist lediglich eine populärwissenschaftlich-didaktische Definition und nicht nimmer richtig, wie obiges Beispiel zeigen soll. Ob diese Betrachtung allerdings für Moore von Bedeutung ist, kann ich nicht beurteilen.

Wingr · Gast

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

Die Argumentation ist eigentlich recht einfach, zumindest verbal (mathematisch-physikalisch sieht das dann anders aus):

Da die Triebkraft für eine gleichmässige Verteilung von Bestandteilen in einer Flüssigkeit/ einem Raum (also z.B. auch für die Diffusion) die Entropie ist, haben gleichmässig verteilte Bestandteile eine niedrigere Entropie als nicht gleichmässig verteilte.
Eine Biomembran ist nun alles andere als gleichmässig in der umgebenden Flüssigkeit/ dem umgebenden Raum verteilt.

Man kann nun beobachten, dass immer wieder einzelne Moleküle "versuchen", diese Struktur aufgrund der energetischen Situation zu verlassen, werden jedoch aktiv und passiv wieder in diese "gedrängt", da andere Kräfte der Entropie entgegenwirken.
Hierbei könnten auch weitere Effekte (ionische Brückenbindungen der Kopfgruppen der Lipide, Effekte der Oberflächenspannung usw.) von Bedeutung sein, die die Geometrie der Biomembran zu erhalten bestreben (siehe z.B. Zerstörung der Membran-Geometrie durch Detergenzien).

Hier noch ein link, aus dem das ableitbar ist (falls du dich mit der Art und Weise der Messung sowie der Berechnung beschäftigen möchtest):

http://www.tu-chemnitz.de/physik/OSMP/Soft/V_11.pdf

Zu Proteinen:

Proteine beginnen bereits cotranslationell, sich zu falten, auch hierfür ist die Entropie (neben anderen) eine Triebkraft. Dabei falten sie sich so, dass lokal geringe Entropien vorherrschen. Das bedeutet nun keineswegs, dass die Gesamtentropie des Moleküls dadurch geringer wird, es können lokal energetisch günstigere und energetisch ungünstigere Konstellationen vorkommen. Das Problem hier ist, dass wenn ein Protein sich ersteinmal in eine gewisse Struktur gefaltet hat, muss wieder Energie aufgebracht werden, damit es die insgesamt energetisch günstigere Konstellation annehmen kann.
Es muss also erst einmal wieder Energie hineingesteckt werden, damit ein geringeres Entropieniveau erreicht werden kann.
Zum zweiten ist das geringste Entropieniveau, also der günstigste thermodynamische Zustand, keineswegs immer "erwünscht", da u.U. das Protein in diesem Zustand seine katalytische oder wie auch immer geartete Aktivität nicht entfalten kann. Es benötigt also sehr "stabile und geordnete" Bereiche, die ihm Struktur und Form geben sowie "etwas ungeordnete, variable" Bereiche, die seine Aktivität determinieren (".." wurden gesetzt, weil der Begriff der geometrischen Ordnung hier nicht vollständig richtig ist, sondern aus rein didaktischen Gründen gewählt wurde; im Prinzip will ich ja darauf hinaus, dass Entropie nicht unbedingt ein Mass für geometrische Ordnung sein muss; siehe oben und unten).
Nähme man eine Aminosäurekette und liesse sie sich spontan falten, so erhielte man eine statistische Verteilung verschiedener Zustände, wobei die biologisch produktive Form meist ein "Ausnahmezufall" wäre.
Also stellt der Körper sicher, dass sich Proteine in einer gewissen "Reihenfolge" falten, indem er an einigen Stellen die Faltung zunächst verhindert und an anderen dadurch begünstigt. Was dabei herauskommt ist keinesfalls immer der thermodynamisch günstigste Zustand, sehr wohl aber eine hohe Ordnung und geordnete Geometrie.

Wingr · Gast

Zitat JÖRG: (irgendwie will das Programm nicht zitieren):
Da die Triebkraft für eine gleichmässige Verteilung von Bestandteilen in einer Flüssigkeit/ einem Raum (also z.B. auch für die Diffusion) die Entropie ist, haben gleichmässig verteilte Bestandteile eine niedrigere Entropie als nicht gleichmässig verteilte.
Eine Biomembran ist nun alles andere als gleichmässig in der umgebenden Flüssigkeit/ dem umgebenden Raum verteilt. (Zitat Ende)

Na, ich weiß nicht. Sollte das so stimmen, dann hab ich in der Vorlesung aber was grundlegend falsch verstanden.
Gerade weil etwas gleichmäßig verteilt ist, hat es ja eine hohe Entropie!
Wenn ich Teilchen hab, die nicht glecihmäßig verteilt sind, sondern sich an bestimmten Orten konzentrieren und Muster bilden, dann ist das ziemlich geordnet. Man musste Energie aufbringen, um diese Teiclehn so zu ordnen.

Nehmen wir an, ich hab Gasteilchen irgendwo in einer Ecke eines Raumes. dann werden sie sich von alleine! im Raum verteilen (Diffusion), und erreichen damit einen höchst entropischen Zustand. Denn nun gibt es noch mehr Möglichkeiten, wie sie sich verteilen können und aufgrund der ständigen Bewegung ist es schwieriger, jedes einzelne dieser Teilchen zeitlich und räumlich zu beschreiben. Dieser Vorgang des gleichmäßigen Verteilens ist irreversibel (Entropie ist auch ein Maß für die Irreversibilität), da die Wahrscheinlichkeit äußerst gering ist, dass sie sich wieder in der Ecke zu Beginn konzentrieren.

Ich kann nur wieder Ordnung herstellen, indem ich Energie aufwende und die dabei eventuell enstandene Entropie exportiere. Nichts anderes hat die Pflanze zum Beispiel mit der Biomembran gemacht. Sie hat Energie reingesteckt (Sonneneergie-->Photosynthese-->ATP), um sie so zu ordnen und zu gestalten, dass diese nicht im thermodynamischen Gleichgewicht steht, und die dabei entstandene Entropie nach außen transportiert (Wärme, CO2 und H2O(gasförmig!) bei der Zellatmung).

PaGe · Moderator Anmeldungsdatum: 19.03.2007 Beiträge: 3549 Wohnort: Hannover

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

PaGe · Moderator Anmeldungsdatum: 19.03.2007 Beiträge: 3549 Wohnort: Hannover

Aus dem pdf werde ich nicht so recht schlau. Habe es nun bei Wiki gelesen. Und dort steht, dass Micellen die Entropie des Wassers einschränken würden, da Fettsäuren mit Wassermolekülen keine WW eingehen können und damit die Bewegungsfreiheit der Wassermoleküle einschränken und so zu einer höheren Ordnung zwingen.
Interessanter Sonderfall.

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

Ich habe das auch noch mal in einem alten biophysikalische-Chemie-Skript nachgelesen.
Dort steht das als Erklärung der hydrophoben Wechselwirkungen.
Demnach entstehen die hydrophoben Wechselwirkungen, weil die hydrophoben Stoffe halt kein Wasser binden. Ein einzelnes Molekül eines solchen stoffes zwänge die Wassermoleküle in eine käfigartige Struktur um dieses Molekül herum.
Das wiederum verminderte die Entropie des Systems, wohingegen diese Wassermoleküle wieder frei werden, wenn die hydrophoben Stoffe sich zusammenlagern. Dann steht dort die Gibbs-Gleichung und darunter, dass dieser Entropiegewinn der Bindungsenergie der hydrophoben Wechselwirkungen entspricht.
Ferner steht dort, dass die Anzahl der Mikrozustände, die mit dem Makrozustand der geordneten Membran vereinbar ist, grösser sei als bei z.B. sphärischen Mizellen.
Das wäre ja mit deiner Aussage konform.

Im Physik-Lexikon (Spektrum-Verlag) steht, dass der Begriff der Unordnung umgangssprachlich verwendet würde, da zum einen seine Definition unscharf sei und zum anderen dieser Begriff eine gewisse Symmetrie vorraussetzte, die jedoch nicht an den Begriff der Entropie gekoppelt ist. Beispiele stehen dort jedoch nicht.

Noch einmal sorry für meinen doch nicht ganz unwesentlichen Fehltritt, doch schön, dass er dazu geführt hat, das noch einmal zu diskutieren.