Ce este entropia: definiție, formulă, unitate și exemple
Entropia este o mărime fizică ce descrie numărul de configurații microscopice compatibile cu starea observabilă a unui sistem. În termodinamică, ea permite stabilirea direcției spontane a unui proces: într-un sistem izolat, entropia totală nu scade.
Explicația populară potrivit căreia entropia ar măsura pur și simplu „dezordinea” este utilă doar ca primă aproximație. O formulare mai exactă urmărește felul în care energia și particulele se pot distribui în sistem.
Ce este entropia, pe scurt
Două corpuri pot avea aceeași temperatură, presiune și energie, deși moleculele lor ocupă poziții și au viteze diferite. Fiecare aranjare microscopică posibilă este o microstare. Temperatura și presiunea descriu macrostarea, adică starea pe care o putem măsura direct.
O macrostare compatibilă cu foarte multe microstări are o entropie mai mare decât una care poate fi realizată în puține moduri. De aceea, stările cu entropie mare sunt și mult mai probabile statistic.
MIT OpenCourseWare descrie entropia drept o măsură a numărului de moduri în care energia poate fi distribuită între molecule și folosește răcirea unui corp cald ca exemplu de proces spontan. Căldura se distribuie până când sistemul ajunge la echilibru termic; procesul invers nu apare spontan la scară macroscopică.
Formula entropiei și unitatea de măsură
În mecanica statistică, relația lui Boltzmann este:
S = kB ln Ω
În această formulă:
- S este entropia;
- kB este constanta lui Boltzmann;
- Ω reprezintă numărul de microstări compatibile cu macrostarea;
- ln este logaritmul natural.
Valoarea exactă a constantei lui Boltzmann este 1,380649 × 10−23 J/K, potrivit Institutului Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST). Entropia se măsoară în jouli pe kelvin, notați J/K.
Formula arată de ce dublarea numărului de microstări nu dublează entropia: dependența este logaritmică. Pentru calculele termodinamice contează adesea variația entropiei, notată ΔS, nu valoarea ei absolută.
Pentru un transfer reversibil de căldură la temperatură constantă, variația se scrie:
ΔS = Qrev / T
unde Qrev este căldura transferată reversibil, iar T este temperatura absolută, exprimată în kelvini.
Cum explică entropia direcția proceselor
A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia totală a unui sistem izolat crește într-un proces ireversibil și rămâne constantă într-un proces reversibil ideal. Un document tehnic publicat de NIST despre a doua lege a termodinamicii formulează condiția astfel: variația totală a entropiei sistemului și a mediului trebuie să fie pozitivă sau zero.
Acest principiu nu spune că energia dispare. Conservarea energiei este tratată de prima lege a termodinamicii, explicată și în materialul nostru despre ce este energia și de ce nu poate fi distrusă. A doua lege arată că nu toată energia poate fi transformată în lucru mecanic util după ce s-a dispersat.
Trei exemple ușor de urmărit
O cană de cafea se răcește
Cafeaua cedează căldură aerului și recipientului până când temperaturile se apropie. Energia totală se conservă, dar distribuția ei devine mai uniformă, iar entropia totală crește. Aerul din cameră nu transferă spontan suficientă energie înapoi pentru ca băutura să redevină fierbinte.
Un gaz ocupă tot recipientul
Dacă scoatem peretele care ține un gaz într-o jumătate de vas, moleculele se răspândesc în întregul volum. Există mult mai multe microstări în care moleculele sunt distribuite prin tot vasul decât microstări în care toate rămân într-o singură jumătate. Revenirea simultană a tuturor moleculelor în zona inițială este posibilă matematic, dar atât de improbabilă pentru un număr macroscopic de particule încât nu este observată practic.
Frecarea transformă mișcarea în căldură
Când o frână încetinește o roată, energia cinetică se transformă în mișcare microscopică dezordonată a atomilor din disc, plăcuțe și aer. Frâna se încălzește. Procesul invers — răcirea spontană a discului pentru a pune roata în mișcare — nu se produce.
Entropia nu înseamnă că ordinea locală este imposibilă
Un frigider reduce entropia alimentelor din interior atunci când le răcește, dar consumă energie electrică și evacuează căldură în cameră. Creșterea entropiei mediului este mai mare decât scăderea din compartimentul rece.
Același principiu se aplică organismelor vii. Un organism își menține structura prin schimburi de energie și materie cu mediul; nu este un sistem izolat. A doua lege se aplică ansamblului format din organism și mediul său, nu doar organismului privit separat.
De ce entropia este asociată cu săgeata timpului
Legile microscopice ale mecanicii pot descrie multe mișcări atât înainte, cât și înapoi în timp. La scară macroscopică observăm însă procese ireversibile: un gaz se extinde, căldura curge de la cald la rece, iar un obiect spart nu se reasamblează singur.
Diferența vine din probabilitate. Stările cu energia răspândită între foarte multe microstări sunt copleșitor mai numeroase decât stările concentrate. Creșterea entropiei oferă astfel o direcție termodinamică a timpului, fără să presupună existența unei forțe care împinge materia spre „dezordine”.
Întrebări frecvente
Poate entropia să scadă?
Da, entropia unei părți dintr-un sistem poate scădea. Condiția impusă de a doua lege este ca entropia totală a sistemului izolat să nu scadă. Un frigider, un cristal care se formează sau un organism viu pot deveni local mai ordonate deoarece transferă energie și entropie către mediu.
Entropia este același lucru cu dezordinea?
Nu în sens strict. „Dezordinea” este o analogie, nu definiția fizică. Entropia este legată de numărul de microstări și de distribuția energiei. Analogia poate deveni înșelătoare în sisteme unde ordinea vizuală nu corespunde direct numărului de configurații microscopice.
Entropia poate fi negativă?
Entropia termodinamică absolută a unui sistem obișnuit nu este tratată ca o cantitate negativă. În schimb, variația entropiei poate fi negativă pentru o componentă a procesului, dacă o altă componentă sau mediul are o creștere cel puțin la fel de mare.
Ce legătură are entropia cu randamentul unui motor?
Un motor termic nu poate transforma integral căldura absorbită în lucru mecanic. O parte din energie trebuie cedată unei surse reci, iar procesele reale produc entropie prin frecare, transfer de căldură și alte ireversibilități. Cursul de energie termică al MIT OpenCourseWare tratează această legătură sub forma „lucrului pierdut” și a limitelor impuse de a doua lege.
Surse
Transparență AI: acest conținut poate fi redactat sau structurat cu ajutorul unor instrumente AI și este verificat editorial înainte de publicare. Imaginile generate sau modificate cu AI sunt folosite cu rol ilustrativ.