¿Qué es la entropía? – Definición, ley y fórmula

¿Qué es la entropía?

Digamos que tienes una bolsa de pelotas. Coges una bola de la bolsa y la pones sobre la mesa. ¿De cuántas formas puedes arreglar esa pelota? La respuesta: unidireccional. ¿Qué pasa si agarramos dos bolas y hacemos la misma pregunta? Ahora hay más formas de organizar las dos bolas. Seguimos haciendo esto hasta que todas las bolas estén sobre la mesa. En este punto, hay tantas formas de organizar la bolsa de pelotas que es posible que ni siquiera puedas contar el número de formas. Esta situación se parece mucho a la entropía .

En esta situación, la entropía se define como el número de formas en que se puede organizar un sistema. Cuanto mayor sea la entropía (es decir, cuantas más formas de organizar el sistema), más desordenado estará el sistema. Otro ejemplo de esta definición de entropía se ilustra rociando perfume en la esquina de una habitación. Todos sabemos lo que pasa despues. El perfume no se quedará solo en ese rincón de la habitación. Las moléculas de perfume eventualmente llenarán la habitación. El perfume pasó de un estado ordenado a un estado de desorden al esparcirse por la habitación.

Esta imagen muestra moléculas representadas por círculos azules inicialmente en un estado ordenado dentro de la botella rociadora, pero una vez que se rocían, puede ver que entran en un estado desordenado.

Cómo aumenta la entropía

Según la segunda ley de la termodinámica., en cualquier proceso que involucre un ciclo, la entropía del sistema permanecerá igual o aumentará. Cuando el proceso cíclico es reversible, la entropía no cambiará. Cuando el proceso es irreversible, la entropía aumentará. La mejor forma de describir un proceso reversible es describir la visualización de una película. Si no puede saber si la película se reproduce hacia adelante o hacia atrás, entonces el proceso es reversible. Sin embargo, si puede decir que la película se está reproduciendo al revés, entonces el proceso es irreversible. Por ejemplo, freír un huevo es irreversible, al igual que volar un edificio. Si hace una película de estos procesos, puede distinguir el avance del retroceso. Un ejemplo simple de un proceso reversible es cambiar la fase de algo como fundir una pieza de metal y viceversa. Los cambios son solo físicos, por lo tanto, son reversibles. Si hace una película de él, no podrá distinguir entre el avance y el retroceso. La mayoría de los procesos microscópicos son reversibles.

La imagen superior muestra un proceso reversible porque el metal sólido puede fundirse y luego enfriarse para formar metal sólido nuevamente. La imagen inferior es un proceso irreversible porque una vez que un huevo se fríe, nunca puede volver a ser un huevo crudo.

Cambio en la ecuación de entropía

Si el proceso es reversible, entonces el cambio de entropía es igual al calor absorbido dividido por la temperatura del proceso reversible. En la ecuación, Q es el calor absorbido, T es la temperatura y S es la entropía.

La entropía es también la medida de energía que no está disponible para trabajar en su sistema. Cuanto mayor sea la entropía, menos energía estará disponible en su sistema para realizar el trabajo. Cuando el sistema alcanza el equilibrio, la entropía alcanza un valor máximo, entonces el sistema no puede realizar el trabajo. Si el sistema fuera un ser vivo, el ser vivo estaría muerto en un estado de máxima entropía.

Otra definición de entropía

Finalmente, la entropía es una medida de la multiplicidad de un sistema. ¿Qué es la multiplicidad? Veamos un ejemplo sencillo. Digamos que tenemos dos dados. ¿De cuántas formas puedo obtener dos puntos cuando tiro dos dados? La respuesta es una; un dado muestra un punto y el otro también muestra un punto. ¿De cuántas formas puedo obtener tres puntos? La respuesta es dos: 1 y 2, y 2 y 1 en cada dado, respectivamente. ¿Qué tal cuatro puntos? La respuesta es tres: 1 y 3, 3 y 1, y 2 y 2. Podemos seguir y seguir. Para el estado (como en el ‘estado de existencia’) de dos puntos, la multiplicidad es 1, para el estado de tres puntos, la multiplicidad es 2 y para el estado de cuatro puntos, la multiplicidad es 3. La multiplicidad es el número de las formas en que se puede representar un estado.

Estas tres imágenes muestran la multiplicidad de obtener 2, 3 o 4 puntos al lanzar dos dados.

La fórmula de la entropía en términos de multiplicidad es:

Para un estado de un gran número de partículas, el estado más probable de las partículas es el estado con la mayor multiplicidad. Eso significa que la mayoría de las partículas del sistema pertenecerán al estado con mayor multiplicidad.

Resumen de la lección

La entropía es una de las consecuencias de la segunda ley de la termodinámica. El concepto más popular relacionado con la entropía es la idea de desorden. La entropía es la medida del desorden: cuanto mayor es el desorden, mayor es la entropía del sistema. Los procesos reversibles no aumentan la entropía del universo. Sin embargo, los sistemas irreversibles sí lo hacen. Esto significa que la entropía del universo aumenta constantemente. Cuando un sistema alcanza un estado de máxima entropía, ya no puede acceder a la energía. Para los sistemas vivos, cuando eso sucede, el sistema muere. La entropía también es una medida de la multiplicidad de un sistema, o el número de formas en que se puede representar un estado. El estado más probable es el estado con mayor multiplicidad.

Términos clave de entropía

• Entropía : el número de formas en que se puede organizar un sistema.
• Segunda ley de la termodinámica : procesos que involucran un ciclo; la entropía permanecerá igual o aumentará
• Multiplicidad : el número de veces que se puede organizar un sistema.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya pasado por esta lección sobre entropía, pruebe su capacidad para hacer lo siguiente:

• Dar la definición de entropía
• Reconocer qué tiene que ver la entropía con la Segunda Ley de la Termodinámica
• Calcular el cambio en la entropía
• Escribe la fórmula de la multiplicidad