Lumea entropiei fizice
Entropia este adesea înțeleasă greșit ca un fel de „dezordine”. Dar asta nu merge suficient de departe. Odată introdus pentru a explica eficiența limitată a motoarelor cu aburi, termenul este acum folosit și în multe alte discipline.
Aproape orice alt termen din fizică nu este folosit atât de des în afara fizicii - și atât de des abaterea de la semnificația sa reală - ca cel de entropie. Termenul are un sens foarte restrâns. Fizicianul austriac Ludwig Boltzmann a venit cu o definiție concretă a acestei cantități fizice în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. El s-a concentrat asupra comportamentului microscopic al unui fluid, adică al unui gaz sau al unui lichid. El a înțeles mișcarea dezordonată a atomilor sau moleculelor din ea ca fiind căldură, ceea ce a fost decisiv pentru definirea sa.
Entropie în cadă
Într-un sistem închis cu un volum fix și un număr fix de particule, a afirmat Boltzmann, entropia este proporțională cu logaritmul numărului de microstate din sistem. El a înțeles microstatele pentru a însemna toate modurile în care moleculele sau atomii fluidului prins se pot aranja. Formula sa definește entropia ca o măsură a „libertății de aranjare” a moleculelor și a atomilor: dacă numărul de microstate care pot fi capturate crește, atunci crește entropia. Dacă există mai puține moduri în care particulele fluidului se pot aranja singure, entropia este mai mică.
Formula lui Boltzmann este deseori interpretată ca și cum entropia ar fi sinonimă cu „dezordine”. Cu toate acestea, această imagine simplificată este ușor înșelătoare. Un exemplu în acest sens este spuma dintr-o cadă: când bulele izbucnesc și suprafața apei devine netedă, dezordinea pare să scadă. Dar entropia nu face asta! De fapt, acesta crește, de fapt, după ce spargerea spumei, spațiul posibil pentru a rămâne moleculele lichidului nu mai este limitat la pielea exterioară a bulelor - a crescut numărul de microstate care pot fi consumate. Entropia a crescut.
Cu ajutorul definiției lui Boltzmann, o latură a termenului poate fi înțeleasă - dar entropia are și o altă latură, macroscopică, pe care fizicianul german Rudolf Clausius o descoperise deja cu câțiva ani mai devreme. La începutul secolului al XVIII-lea a fost inventat motorul cu aburi, un motor termic clasic. Motoarele termice transformă diferența de temperatură în lucru mecanic. În acel moment, fizicienii au încercat să înțeleagă ce principii respectă aceste mașini. Cercetătorii au fost iritați să constate că doar câteva procente din energia termică ar putea fi transformată în energie mecanică. Restul s-a pierdut cumva - fără să înțeleagă motivul.
Valoarea energiei
Teoria termodinamicii părea să nu aibă un concept fizic care să ia în considerare diferitele valențe ale energiei și să limiteze capacitatea de a converti energia termică în energie mecanică. Soluția a venit sub formă de entropie. La mijlocul secolului al XIX-lea, Clausius a introdus termenul ca o mărime termodinamică și l-a definit ca o măsură macroscopică pentru o proprietate care limitează utilizabilitatea energiei.
Potrivit lui Clausius, schimbarea entropiei unui sistem depinde de căldura furnizată și de temperatura care prevalează. El a concluzionat că entropia este întotdeauna transferată împreună cu căldura. În plus, Clausius a afirmat că entropia în sistemele închise, spre deosebire de energie, nu este o cantitate conservată. Aceste cunoștințe au intrat în fizică ca a doua lege a termodinamicii:
„Într-un sistem închis, entropia nu scade niciodată”.
Prin urmare, entropia crește întotdeauna sau rămâne constantă. Aceasta introduce o săgeată a timpului în fizica sistemelor închise, deoarece odată cu creșterea entropiei, procesele termodinamice din sistemele închise sunt ireversibile (sau ireversibile).
Un proces ar fi reversibil numai dacă entropia ar rămâne constantă. Dar acest lucru este posibil doar în teorie. Toate procesele reale sunt ireversibile. Potrivit lui Boltzmann, se poate spune și: numărul de micro-state posibile crește în orice moment. Această interpretare microscopică extinde interpretarea termodinamică-macroscopică de către Clausius. Entropia a rezolvat în cele din urmă misterul energiei care dispăruse în motoarele termice (vezi caseta). O parte a energiei termice se retrage în mod constant din utilizabilitatea mecanică și este eliberată din nou deoarece entropia nu trebuie să scadă în sistemele închise.
Utilizare versatilă
De la descoperirile lui Clausius și Boltzmann, entropia s-a mutat și în alte domenii ale fizicii. A fost preluat chiar și în afara fizicii, cel puțin ca un concept matematic. De exemplu, matematicianul și inginerul electric Claude Shannon a introdus așa-numita entropie informațională în 1948. Cu această dimensiune, el a caracterizat pierderea informațiilor din transmisiile prin linia telefonică.
Entropia are, de asemenea, un rol în chimie și biologie: în anumite sisteme deschise, se pot forma noi structuri dacă entropia este eliberată în exterior. Acestea trebuie să fie așa-numitele sisteme disipative, în care energia este convertită în energie termică. Această teorie a formării structurilor provine de la chimistul fizic belgian Ilya Prigogine. Până în prezent, sunt publicate lucrări în care se adaugă noi aspecte la sfera fizică a conceptului.