Een college thermodynamica

De klassieke natuurkunde telt drie grote theorieën: de mechanica van Newton, het elektromagnetisme van Maxwell en de thermodynamica. Misschien is het wel juist omdat er niet slechts één naam aan de thermodynamica te verbinden valt, dat deze er doorgaans bekaaid vanaf komt in de populaire wetenschap.

Alleen om deze reden valt het al te prijzen dat Peter Atkins, hoogleraar in Oxford en auteur van het veel gebruikte studieboek ‘Physical Chemistry’, de moeite heeft genomen een boek te schrijven dat de thermodynamica poogt te populariseren. Hoewel populariseren niet het goede woord is. Had hij werkelijk een breed publiek willen bereiken bij het opstellen van de vier wetten, dan had hij bijvoorbeeld meer aandacht moeten besteden aan de hoofdrolspelers, zoals de tragische Ludwig Boltzmann, die de hand aan zichzelf sloeg, en Lord Kelvin, die rijk werd als consultant van de Atlantic Telegraph Company.

In plaats daarvan valt Atkins gewoon met de deur in huis: de nulde wet, die definieert wat temperatuur is. Dat begrip was altijd als een gegeven beschouwd. Pas aan het begin van de twintigste eeuw, toen de eerste en tweede wet al bestonden, besefte men dat het logische bouwwerk van de thermodynamica niet compleet was zonder definitie van temperatuur. Maar om de definitie als derde wet toe te voegen zou niet kloppen, want ze was impliciet al aanwezig in de eerste twee. De nulde wet dus.

De eerste wet stelt, zoals bekend, dat energie nooit verloren gaat, de tweede dat de entropie (mate van wanorde) van het heelal voortdurend toeneemt, en de derde dat je het absolute nulpunt wel kunt benaderen maar niet bereiken. In de loop der jaren zijn er vierde, vijfde en zelfs zesde wetten van de thermodynamica voorgesteld, maar die laat Atkins links liggen. Ook gaat hij niet in op het verband tussen entropie en de informatietheorie: informatie is het tegenovergestelde van entropie, omdat het een mate van orde is.

Geen frivoliteiten of nodeloze uitwijdingen dus, maar wel een uiterst heldere inleiding in het vakgebied, voorzien van veel weetjes en vergelijkingen. Deze geven net even meer inzicht in het onderwerp dan het gemiddelde studieboek. Waar een studieboek een verhandeling over het kwadratische verband tusen de temperatuur en snelheid van moleculen in het abstracte houden, voegt Atkins dat beetje extra toe door te melden dat moleculen op een warme dag vier keer zo snel bewegen als bij het vriespunt. Door die link tussen theorie en alledaagse werkelijkheid wordt een formule begrijpelijker. Overigens gaat de auteur redelijk spaarzaam om met formules.

Pas aan het einde van het boek ontspoort Atkins enigszins. In de aanloop naar de derde wet introduceert hij de spin van een elektron en stelt dat de temperatuur afhangt van die spin. Waar hij tot dan toe alles stapsgewijs opgebouwd heeft, komt dit wel heel erg uit de lucht vallen. Het verband tussen spin en temperatuur valt niet intuïtief te begrijpen en had dus wel wat nader uitgewerkt mogen worden. Over het algemeen is hij echter kraakhelder, ook als hij iets uitlegt als negatieve temperatuur op de schaal van Kelvin, een begrip dat in tegenspraak lijkt te zijn met de derde wet.

‘Four laws that drive the universe’ zal nooit een groot publiek bereiken. Daarvoor staan er teveel formules in. Voor degenen die zich de thermodynamica eigen moeten maken, kan dit boek echter een welkome aanvulling zijn op de vaak wel heel summiere uitleg van studieboeken. Thermodynamica is een lastig onderwerp en om het werkelijk te begrijpen is niet alleen natuurkundig maar ook intuïtief inzicht nodig. Om dat laatste te verwerven is Atkins’ inleiding zeer geschikt.

Peter Atkins, ‘Four laws that drive the universe’. Oxford University Press, pp. 132, 12 euro.

De klassieke natuurkunde telt drie grote theorieën: de mechanica van Newton, het elektromagnetisme van Maxwell en de thermodynamica. Misschien is het wel juist omdat er niet slechts één naam aan de thermodynamica te verbinden valt, dat deze er doorgaans bekaaid vanaf komt in de populaire wetenschap.

Alleen om deze reden valt het al te prijzen dat Peter Atkins, hoogleraar in Oxford en auteur van het veel gebruikte studieboek ‘Physical Chemistry’, de moeite heeft genomen een boek te schrijven dat de thermodynamica poogt te populariseren. Hoewel populariseren niet het goede woord is. Had hij werkelijk een breed publiek willen bereiken bij het opstellen van de vier wetten, dan had hij bijvoorbeeld meer aandacht moeten besteden aan de hoofdrolspelers, zoals de tragische Ludwig Boltzmann, die de hand aan zichzelf sloeg, en Lord Kelvin, die rijk werd als consultant van de Atlantic Telegraph Company.

In plaats daarvan valt Atkins gewoon met de deur in huis: de nulde wet, die definieert wat temperatuur is. Dat begrip was altijd als een gegeven beschouwd. Pas aan het begin van de twintigste eeuw, toen de eerste en tweede wet al bestonden, besefte men dat het logische bouwwerk van de thermodynamica niet compleet was zonder definitie van temperatuur. Maar om de definitie als derde wet toe te voegen zou niet kloppen, want ze was impliciet al aanwezig in de eerste twee. De nulde wet dus.

De eerste wet stelt, zoals bekend, dat energie nooit verloren gaat, de tweede dat de entropie (mate van wanorde) van het heelal voortdurend toeneemt, en de derde dat je het absolute nulpunt wel kunt benaderen maar niet bereiken. In de loop der jaren zijn er vierde, vijfde en zelfs zesde wetten van de thermodynamica voorgesteld, maar die laat Atkins links liggen. Ook gaat hij niet in op het verband tussen entropie en de informatietheorie: informatie is het tegenovergestelde van entropie, omdat het een mate van orde is.

Geen frivoliteiten of nodeloze uitwijdingen dus, maar wel een uiterst heldere inleiding in het vakgebied, voorzien van veel weetjes en vergelijkingen. Deze geven net even meer inzicht in het onderwerp dan het gemiddelde studieboek. Waar een studieboek een verhandeling over het kwadratische verband tusen de temperatuur en snelheid van moleculen in het abstracte houden, voegt Atkins dat beetje extra toe door te melden dat moleculen op een warme dag vier keer zo snel bewegen als bij het vriespunt. Door die link tussen theorie en alledaagse werkelijkheid wordt een formule begrijpelijker. Overigens gaat de auteur redelijk spaarzaam om met formules.

Pas aan het einde van het boek ontspoort Atkins enigszins. In de aanloop naar de derde wet introduceert hij de spin van een elektron en stelt dat de temperatuur afhangt van die spin. Waar hij tot dan toe alles stapsgewijs opgebouwd heeft, komt dit wel heel erg uit de lucht vallen. Het verband tussen spin en temperatuur valt niet intuïtief te begrijpen en had dus wel wat nader uitgewerkt mogen worden. Over het algemeen is hij echter kraakhelder, ook als hij iets uitlegt als negatieve temperatuur op de schaal van Kelvin, een begrip dat in tegenspraak lijkt te zijn met de derde wet.

‘Four laws that drive the universe’ zal nooit een groot publiek bereiken. Daarvoor staan er teveel formules in. Voor degenen die zich de thermodynamica eigen moeten maken, kan dit boek echter een welkome aanvulling zijn op de vaak wel heel summiere uitleg van studieboeken. Thermodynamica is een lastig onderwerp en om het werkelijk te begrijpen is niet alleen natuurkundig maar ook intuïtief inzicht nodig. Om dat laatste te verwerven is Atkins’ inleiding zeer geschikt.

Peter Atkins, ‘Four laws that drive the universe’. Oxford University Press, pp. 132, 12 euro.