Entropia

Entropia este o variabilă de stare termodinamică ce cuantifică distribuția probabilistică a microstărilor accesibile într-un sistem. Termenul și conceptul sunt utilizate în diverse domenii, de la termodinamica clasică (unde a fost recunoscută pentru prima dată), până la descrierea microscopică a naturii în fizica statistică și principiile teoriei informației. A găsit aplicații ample în chimie și fizică, în sistemele biologice și relația lor cu viața, în cosmologie , economie și sisteme informaționale, in clusiv transmiterea informațiilor în telecomunicații .

Entropia este esențială pentru a doua lege a termodinamicii , care afirmă că entropia unui sistem izolat lăsat să evolueze spontan nu poate scădea în timp. Drept urmare, sistemele izolate evoluează spre echilibrul termodinamic , unde entropia este cea mai mare. Entropia „ridicată” înseamnă că energia este mai dezordonată sau dispersată, în timp ce entropia „scăzută” înseamnă că energia este mai ordonată sau concentrată. O consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii este că anumite procese sunt ireversibile .

Conceptul termodinamic a fost menționat de omul de știință și inginerul scoțian William Rankine în  1850, sub denumirile de funcție termodinamică și potențial termic . În 1865, fizicianul german Rudolf Clausius , unul dintre principalii fondatori ai domeniului termodinamicii, l-a definit ca fiind cotientul unei cantități infinitezimale de căldură la temperatura in stantanee . Inițial, l-a descris ca fiind conținut de transformare , în germană Verwandlungsinhalt , iar mai târziu a inventat termenul de entropie, derivat dintr-un cuvânt grecesc pentru transformare . 

Fizicianul austriac Ludwig Boltzmann a explicat entropia ca fiind măsura numărului de posibile aranjamente sau stări microscopice ale atomilor și moleculelor individuale ale unui sistem care respectă condiția macroscopică a sistemului. Astfel, el a introdus conceptul de dezordine statistică și distribuții de probabilitate într-un nou domeniu al termodinamicii, numit mecanică statistică , și a găsit legătura dintre interacțiunile microscopice, care fluctuează în jurul unei configurații medii, și comportamentul observabil macroscopic, sub forma unei legi logaritmice simple, cu o constantă de proporționalitate , constanta Boltzmann , care a devenit una dintre constantele universale definitorii pentru Sistemul Internațional de Unități modern . 

Entropia termodinamică S, adesea numită simplu entropia în contextul chimiei și termodinamicii, este o măsură a cantității de energie într-un sistem fizic care nu pot fi utilizată pentru a produce lucru mecanic. Este, de asemenea, o măsură a dezordinii prezentă într-un sistem.

Conceptul de entropie a fost introdus în 1865 de către Rudolf Clausius. El definește variația entropiei unui sistem termodinamic în timpul unui proces reversibil în care se aplică o cantitate de căldură δQ la temperatură constantă T absolută, ca

δS = δQ/T

Clausius a dat cantităţii S numele de „entropie„, de la τρoπή cuvântul grecesc care ănseamnă „transformare”. Rețineți că această ecuație implică doar o modificare a entropiei, deci entropia însăși este definită numai până la o constantă aditivă.

Schimbarea de entropie în motoarele termice

Identificarea lui Clausius a lui S ca o cantitate semnificativă a fost motivată de studiul transformărilor termodinamice reversibile și ireversibile.

O transformare termodinamică este o modificare a proprietăților termodinamice ale unui sistem, cum ar fi temperatura și volumul său. O transformare se spune că este reversibilă dacă, la fiecare etapă succesivă de transformare, sistemul este infinitesimal aproape de echilibru; în caz contrar, transformarea este declarată a fi ireversibilă. Ca un exemplu, să considerăm un gaz închis într-o cameră cu piston, a cărui volum poate fi modificat prin deplasarea pistonului. O schimbare de volum reversibilă este una care are loc atât de lent încât densitatea gazului rămâne întotdeauna omogen. O schimbare de volum ireversibilă este una care are loc atât de repede încât undele de presiune sunt create în gaz, rezultând o stare de dezechilibru. Procesele reversibile sunt denumite uneori procese cvasi-statice.

Un motor termic este un sistem termodinamic care poate suferi o serie de transformări şi care în cele din urmă se întoarce la starea inițială. Această secvență se numește un ciclu. In timpul unor transformări, motorul poate face schimb de căldură cu sistemele mari cunoscute ca rezervoare de căldură, care au o temperatură fixă și pot absorbi sau furniza o cantitate arbitrară de căldură. Rezultatul net al unui ciclu este (i) lucrul mecanic realizat cu ajutorul sistemului (care poate fi negativ, care este aelaşi cu lucrul mecanic pozitiv efectuat asupra sistemului), și (ii) căldura transferată între rezervoarele de căldură. Prin conservarea energiei, căldura pierdută de rezervoarele de căldură este exact egală cu lucrul necanic creat de către motor plus căldura acumulată de rezervoare de căldură.

Dacă fiecare transformare în ciclu este reversibilă, ciclul este reversibil. Acest lucru înseamnă că poate fi rulat în sens invers, adică apar transferurile de căldură în direcția opusă și cantitatea de lucru mecanic efectuat îşi schimbă semnul. Cel mai simplu ciclu reversibil este un ciclu Carnot, care schimbă căldură cu două rezervoare de căldură.

Cea de a doua lege a termodinamicii este, uneori, formulată ca fiind acest rezultat: entropia totală a unui sistem izolat termic nu poate scădea.

Să presupunem că un sistem este izolat termic, dar rămâne în contact mecanic cu mediul. În cazul în care nu este în echilibru mecanic cu mediul, va produce lucru mecanic asupra mediului, sau vice-versa. De exemplu, considerăm un gaz închis într-o cameră cu piston ai cărei pereţi sunt izolatori termici perfecţi. Dacă presiunea gazului este diferită de presiunea aplicată pistonului, se va dilata sau contracta, și se va produce lucru mecanic. Entropia sistemului va crește în timpul acestui proces (aceasta ar putea rămâne, în principiu, constantă, dar acest lucru este puțin probabil.) De obicei, există o valoare maximă a entropiei pe care sistemul o poate avea în aceste circumstanțe. Această entropie corespunde unei stări de echilibru stabil, deoarece o transformare a oricărui alte stări echilibru ar face ca entropia să scadă, ceea ce este interzis. Odată ce sistemul atinge această stare de maximă entropie, nu se mai produce lucru mecanic.