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Entropía

Entropía

En la termodinámica clásica, el primer campo en el que se introdujo la entropía, S es una función de estado de un sistema en equilibrio termodinámico, que, mediante la cuantificación de la falta de disponibilidad de un sistema para producir trabajo, se introduce junto con el segundo principio de la termodinámica. Sobre la base de esta definición, podemos decir, en forma explicativa, pero no estricta, que cuando un sistema se mueve de un estado de equilibrio ordenó a uno desordenado aumenta su entropía; este hecho proporciona indicaciones sobre la dirección en la que un sistema evoluciona espontáneamente.

Entropía y desorden

El concepto de entropía es bastante complejo y para comprender plenamente su significado es necesario al menos un conocimiento básico de la termodinámica y la mecánica cuántica; De hecho, hay al menos dos definiciones estrictas de entropía: una definición macroscópica, proporcionada por la termodinámica y una definición microscópica, proporcionada por la mecánica cuántica.

Sin embargo, es posible dar una explicación simplificada de la entropía, interpretándola como el "grado de desorden" de un sistema. Por lo tanto, un aumento en el "desorden" de un sistema se asocia con un aumento en la entropía, mientras que una disminución en el "desorden" de un sistema se asocia con una disminución de la entropía; Sin embargo, es necesario aclarar que el trastorno es relativo, por esta razón la explicación simplificada no es equivalente a la exacta, pero sirve para representar el concepto.

Otros sistemas que pueden tomar diferentes grados de desorden son los materiales metálicos. De hecho, pueden tomar las siguientes estructuras:

  • estructura cristalina (ordenada): los átomos están dispuestos de manera ordenada; una estructura cristalina se compone de varias "células" de todos modos, repitiéndose en el espacio; en este caso hablamos de "orden de largo alcance"
  • estructura policristalina (parcialmente ordenada): hay más "cristales" (estructuras ordenadas) dentro del material; en este caso, hablamos de "orden de corto alcance";
  • estructura amorfa (desordenada): los átomos están dispuestos de una manera completamente desordenada; no hay orden de corto alcance ni orden de largo alcance.

El trastorno de las estructuras de material metálico también aumenta en presencia de los denominados " defectos cristalinos " (incluyendo la inclusión de tipo otros átomos o la falta de un átomo en una posición de celosía), la presencia de los cuales conduce a un aumento del contenido entrópica del material.

Postulado de entropía

Una propiedad fundamental, también llamada (incorrectamente) postulado de entropía, establece que en un sistema aislado la entropía S del sistema nunca disminuye y, durante un proceso ordinario irreversible, aumenta. La demostración es la siguiente: considerar un sistema aislado, tanto mecánica como térmicamente, que, debido a una perturbación interna, conduce desde un estado 1 a un estado 2. Ser entropía una función del estado, por definición, la variación de la misma no depende del camino seguido, sino del estado inicial y final, es posible concebir un proceso reversible que nos lleve de 2 a 1.

Energía y entropía

Suponiendo que todo el universo es un sistema aislado, es decir, un sistema para el cual es imposible intercambiar materia y energía con el exterior, el primer y segundo principios de la termodinámica se pueden resumir de la siguiente manera:

“la energía total del universo es constante y la entropía total aumenta continuamente hasta que alcanza un equilibrio”

declaración válida para cualquier sistema aislado.

Esto significa que no solo no puede crear ni destruir energía, ni puede transformarse por completo de una forma a otra sin que una parte se disipe en forma de calor.

Si, por ejemplo, se quema un trozo de carbón, su energía se conserva y se convierte en energía contenida en dióxido de carbono, dióxido de azufre y otros residuos de combustión, así como en forma de calor. Aunque el proceso no ha perdido energía, no podemos revertir el proceso de combustión y recrear la pieza original de carbón de sus desechos.

El segundo principio de la termodinámica puede, por lo tanto, reescribirse de la siguiente manera:

cada vez que una cierta cantidad de energía se convierte de una forma a otra, existe una penalización que consiste en la degradación de una parte de la energía en sí en forma de calor. Esta parte no será utilizable para producir trabajo.

El estado en el que la entropía alcanza su valor máximo y no hay más energía disponible para realizar el trabajo se llama estado de equilibrio. Para todo el universo, concebido como un sistema aislado, esto significa que la conversión progresiva del trabajo en calor (para el principio de aumento de la entropía total), frente a una masa del universo finito, finalmente conducirá a un estado en el cual todo el universo estará en condiciones de temperatura uniforme; la llamada muerte térmica del Universo.

La entropía caracteriza el verso de cualquier transformación real como transformación irreversible: de hecho, también regresa de un estado final a uno idéntico al estado inicial por temperatura, volumen, presión u otros parámetros, como ocurre continuamente en los ciclos de una máquina térmica, al menos una variable la física difería de donde comenzaste: entropía (que inevitablemente aumentó).

Toda transformación real es una transformación irreversible porque la entropía aumenta; viceversa, la hipótesis de la idealidad es equivalente a la hipótesis de una variación en la entropía cero.

Historia y definición de entropía

El concepto de entropía fue introducida a principios del siglo XIX, en el contexto de la termodinámica, para describir una característica (que en general se observó por primera vez desde Sadi Carnot en 1824) de todos los sistemas a continuación, conocidos, en los que se observó que las transformaciones ocurrieron espontáneamente en una dirección, una hacia el desorden mayor.

En particular, la palabra "entropía" fue introducida por primera vez por Rudolf Clausius en su Abhandlungen über die mechanische Wärmetheorie (Tratado sobre la teoría del calor mecánico), publicado en 1864 . En alemán, Entropie deriva del griego ἐν en, "inside", y de τροπή tropé , "change", "turning point", "turning" (en el modelo de Energie , " energy ").. "): Para Clausius indica donde termina la energía suministrada a un sistema correctamente Clausius pretende referirse a la relación entre el movimiento hacia dentro (con el cuerpo o sistema) y la energía interna o calor, enlace de estado expresando la gran penetración de la Ilustración , que de alguna manera el calor debería referirse al movimiento mecánico de las partículas dentro del cuerpo, de hecho lo definió como la relación entre la suma de pequeños incrementos ( infinitesimales ) de calor , dividida por la temperatura absoluta durante el cambio de estado.

Para aclarar el concepto de entropía podemos presentar algunos ejemplos:

  • Coloque una gota de tinta en un vaso de agua: se observa que, en lugar de permanecer una gota más o menos separada del resto del entorno (que sería un estado completamente ordenado), la tinta comienza a extenderse y, en un cierto tiempo, se obtiene una mezcla uniforme (estado completamente desordenado). Es una experiencia común que, si bien este proceso ocurre espontáneamente, el proceso inverso, que separa el agua y la tinta, requiere energía externa.
  • Imagine un perfume contenido en un matraz lleno como un conjunto de moléculas puntuales con una cierta velocidad derivada de la temperatura del perfume. Mientras la botella esté tapada, es decir, aislada del resto del universo, las moléculas se verán obligadas a permanecer dentro y, al no tener espacio (la botella está llena), se mantendrán bastante ordenadas (estado líquido). Cuando la botella esté descorchada, las moléculas de la superficie del líquido comenzarán a desprenderse de las otras y, colisionando accidentalmente entre sí y contra las paredes de la botella, saldrán de esta dispersión exterior (evaporación).). Después de un cierto tiempo, todas las moléculas se liberarán y dispersarán. Incluso si al azar alguna molécula cae en la botella, el sistema general ahora está desordenado y la energía térmica que ha puesto en movimiento el fenómeno se dispersa y, por lo tanto, ya no es recuperable (hay un equilibrio dinámico).

El concepto de entropía ha visto una gran popularidad en el siglo XIX y del siglo XX, gracias a la amplia gama de fenómenos que ayuda a describir, hasta salir del alcance de la puramente física y ser adoptado por las ciencias sociales, la teoría de la señal, en ' la informática teórica y en ' economía. Sin embargo, es bueno tener en cuenta que hay una clase de fenómenos, tales fenómenos no lineales (tales fenómenos caóticos) para los que las leyes de la termodinámica (y por lo tanto la entropía) deben ser revisadas extensivamente y ya no tienen validez general.

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Última revisión: 9 de mayo de 2018