¿Cómo aumenta la entropía?

Supongamos que tienes cinco dados en tu mano.
Con la mano extendida, los ha organizado para que vea cinco 6s.
Ahora retire su mano rápidamente, para que los dados caigan sobre la mesa.

Su sistema Five 6s se rompe en pedazos, y ya no es un sistema Five 6s.
(Repita el experimento con una taza de porcelana de hueso, sostenida en su mano, y luego se dejó caer y se hizo pedazos en la mesa).

Hay más formas en que el sistema puede estar en un estado roto que en el estado original cuidadosamente diseñado. De hecho, es teóricamente posible que los dados vuelvan a caer como cinco 6s, y los fragmentos de la taza de té podrían recuperarse para formar una taza de té intacta nuevamente, pero muy poco probable.

La forma de cuantificar esa afirmación es decir que la entropía es más alta para el estado roto que para el estado no roto.

Cada acto hace que aumente la entropía del sistema (incluidas todas sus entradas).

Asumiendo que te refieres La entropía termodinámica , una declaración de la Segunda Ley de la Termodinámica es : la energía no restringida se extenderá de concentraciones más altas a más bajas, se dispersará más en el espacio. Como la entropía es simplemente la medida de esta dispersión de energía siempre creciente, en unidades de energía y temperatura (joule por kelvin), esto también se conoce como la Ley de la entropía creciente , expresada como: en un sistema cerrado, la entropía tiende a aumentar (en Un proceso reversible, permanecer constante) en el tiempo.

Como analogía: la energía interna de un sistema es como la pasta de dientes en un tubo, nunca se puede usar todo (energía “utilizable” = exergía ), algunas siempre permanecen inutilizables ( es decir, entropía ):

Imagen autoenlace de Termodinámica, Leyes, Ejercicios, Entropía y Energía ( Folke Günther , 2013)

La entropía de un sistema ( p . Ej. , Una máquina de vapor) es la medida de la cantidad de energía “inutilizable” (o “de bajo grado”) en el sistema, el calor que “se escapa” y se irradia al medio ambiente. Esta es solo otra forma de decir lo mismo: la energía sin restricciones siempre se disipa (va de formas más concentradas a formas menos concentradas; de “más caliente” a “más fría” ( nunca al revés).

Esto se demuestra claramente cuando el vapor en un motor de vapor compuesto se enfría (aumentando la entropía), donde cada etapa sucesiva requiere un volumen mayor para extraer más exergía (energía útil) del vapor cada vez más frío:

Gif animado vinculado a Wikimedia Commons . Leyenda original: “Una animación de un motor marino de triple expansión invertida de doble efecto. El vapor de alta presión (rojo) ingresa desde la caldera y pasa a través del motor, expulsando como vapor de baja presión (azul) al condensador ”.

La entropía de un cuerpo S es su contenido de calor Q dividido por su temperatura T ( es decir, S = Q / T , en unidades J / K (fuente: la entropía no es un trastorno) ( Steve Donaldson , 2012)

Entonces, una respuesta simplista (pero correcta) a la pregunta “¿cómo aumenta la entropía de un sistema?” Es que “parte de la energía interna del sistema se está disipando” (es decir, el sistema se enfría ).

Lo importante a tener en cuenta es que la entropía no es “desorden” (Profesor Frank Lambert , 2005). Ver también su artículo Desorden: una muleta rota para apoyar las discusiones sobre la entropía ( F. Lambert , 2002).

La entropía no siempre aumenta. La entropía aumenta en condiciones muy específicas. Por ejemplo, toma dos sistemas en equilibrio termodinámico, luego los une, deja que interactúen entre sí, y posiblemente con el medio ambiente, hasta que el sistema combinado alcance un nuevo equilibrio termodinámico. El sistema resultante tiene una entropía que es igual o mayor que la suma de las entropías de los dos sistemas originales.

Una vez que estudias la mecánica estadística y la teoría de la información de Shannon, te das cuenta de que la entropía es una medida de la ignorancia que tienes sobre cuál es el estado microscópico real de un sistema, dado que sabes que corresponde a un estado termodinámico conocido. El ejemplo típico es una caja con gas. Para conocer el estado microscópico real del sistema, se requiere conocer la posición y el momento de todos los átomos dentro del gas. Esa es mucha información. Pero, si lo único que sabe sobre el gas es que está en equilibrio termodinámico a cierta temperatura y volumen, entonces conoce mucha menos información que si conoce el estado microscópico del mismo. La diferencia entre las cantidades anteriores y las posteriores es la cantidad de información que ignora sobre el estado microscópico del sistema, una cantidad que llamamos entropía.

Ahora, ¿por qué aumenta la entropía? Aumenta porque al permitir que un sistema interactúe con el entorno, para permitirle alcanzar un (posiblemente nuevo) equilibrio termodinámico, de alguna manera dejamos que el sistema borre información que tal vez hayamos aprendido sobre su estado microscópico. Por ejemplo, imagine que comienza con una caja de gas con todos sus átomos completamente silenciosos, sin moverse en absoluto y dispuestos en una especie de matriz perfecta. Entonces, podemos decir que sabemos exactamente el estado microscópico del gas. Pero luego, dejamos que la caja de gas intercambie energía con una fuente caliente y, como consecuencia, la temperatura del gas aumenta y sus átomos comienzan a moverse. Finalmente, si la fuente de calor se mantiene a temperatura constante, el gas alcanzará un equilibrio termodinámico. En ese momento, acaba de perder la noción de la posición y el impulso del átomo de gas. La gran cantidad de información que tenía sobre el estado microscópico de la caja de gas al comienzo del experimento simplemente desapareció. Lo único que sabe sobre el gas en su nuevo estado termodinámico es su temperatura y volumen (más la densidad, que no ha cambiado desde que no dejamos entrar ni salir ningún gas de la caja). Esa es mucha menos información que la que teníamos originalmente. ¿Cuánta información hemos perdido? Eso cuantificado por la entropía.

En resumen…

Hablando cualitativamente, la entropía aumenta en el sentido de que constantemente estamos perdiendo información que podamos tener sobre el estado de los sistemas una vez que les permitimos interactuar con el entorno.

Hablando cuantitativamente, la entropía está bien definida solo entre estados termodinámicos.

Como sabemos, la entropía es una incertidumbre de cualquier sistema o molécula que aumenta continuamente con respecto al tiempo (o digamos con respecto a la transferencia de calor). Estoy tomando un ejemplo que te ayuda a entender.

Supongamos que cualquier casa de moneda produce un paquete de monedas. Al principio, todas las monedas están en un solo lugar (en la fábrica o en el banco), en ese momento supongamos que la entropía del sistema es cero, lo que significa que estamos asumiendo que esta es la forma de situación más ordenada y mejor definida de cualquiera de las Moneda en el paquete. Ahora suponga que el banco lanza la moneda para el público, ahora estamos observando que las monedas comienzan a extenderse a diferentes personas. Y no hay un patrón de propagación de las monedas, cada persona usa monedas según lo acordado. Después de un tiempo no podemos decir sobre la situación y la posición de ninguna moneda. con el tiempo aumenta la incertidumbre. Eso se llama aumento de la entropía.

La entropía de un sistema cerrado siempre aumenta. La parte cerrada es esencial. Significa que el sistema no está en contacto termodinámico con ningún otro sistema y se encuentra aislado. Echemos un vistazo a uno de esos sistemas cerrados cerrados de lanzamiento de monedas. El resultado de un solo lanzamiento de moneda es cara o cola (H / T). Si lanzamos tres monedas y observamos los resultados, será uno de los siguientes,

HHH
HHT
HTH
HTT
THH
THT
TTH
TTT

Por lo tanto, hay [matemática] 2 ^ 3 = 8 [/ matemática] posibles resultados de un lanzamiento de tres monedas. Si tomamos N monedas y las volteamos, habría [matemáticas] 2 ^ N [/ matemáticas] posibles resultados. Otra frase para esto es ‘número de resultados para N lanzamientos de monedas’. La entropía de un sistema cerrado aislado es directamente proporcional al logaritmo natural de este número que podemos ver en este ejemplo siempre está aumentando.

Tomemos otro ejemplo. Digamos que hemos logrado organizar los átomos en un mol de una sustancia, en línea recta, dentro de una caja. Este es el estado de baja entropía ya que solo se permite una disposición. Hay alrededor de [matemáticas] 10 ^ {23} [/ matemáticas] átomos en un mol (número de Avagadro). Los átomos son libres de moverse dentro de la caja sin ninguna fuerza externa. Entonces no siempre estarán en línea recta. Cada átomo es libre de viajar a cualquier punto dentro de la caja. Seguramente colisionarán entre sí, lo que solo aumentará el número de formas en que estos [matemáticas] 10 ^ {23} [/ matemáticas] los átomos pueden organizarse. Por lo tanto, la entropía del sistema aumentará.

La respuesta habitual que obtienes para esto es una interpretación mecánica estadística de la entropía, es decir, la aleatoriedad. Las cosas tienden a un estado más aleatorio. Fart y las moléculas de gas eventualmente se distribuirán aleatoriamente por toda la habitación.

El significado original de entropía era como una medida de la “degradación de la energía”. Es una ley de la naturaleza, una observación, que la energía fluye en una dirección, como de un cuerpo caliente a uno frío y nunca al revés. Después de este flujo, la cantidad de energía es la misma pero menos capaz de realizar trabajos, como expandir un gas. Entonces se inventó la entropía para medir esta degradación. Como la degradación siempre aumenta, también debe hacerlo la entropía.

Es un concepto del siglo XIX que se relaciona con una visión de la energía del siglo XIX que está algo arraigada debido a la filosofía detrás de un

Teoría gravitacional mal concebida. La entropía no existe. Lo que sí existe es una fuerza, casi con certeza un efecto secundario de la inercia que en sí misma es de naturaleza magnética, haciendo que la materia se mueva hacia la velocidad cero en su propio marco de referencia gravitacional. No es una fuerza fuerte y es casi seguro que sus acciones sean difíciles de concebir en vista del hecho de que no tenemos una teoría funcional para la gravedad.

Los ingenieros victorianos obviamente estaban perplejos por lo que veían como energía aparentemente desapareciendo sin dejar rastro. El problema, sin embargo, se relaciona en gran medida con esa visión de la gravedad, por lo que un buen lugar para comenzar a entender el problema es el concepto de energía en sí:

Definiendo los conceptos de energía por David Wrixon EurIng en la gravedad cuántica explicada

Pase una semana sin hacer ninguna limpieza en su casa.

Después de una semana, verá que la entropía aumentó.

Para que puedas disminuir la Entropía, tienes que trabajar. Eso no sucede naturalmente … 🙂

Solo sucede cuando te quedas sin ropa interior o calcetines.

Entonces, la naturaleza prefiere que los calcetines se caigan de la lavadora o se escondan en algún lugar …

Esto se llama espacio de fase … Si sus calcetines están inicialmente en un cajón, eventualmente encontrará otros lugares para esconderse … y ocupará todo el espacio de fase de su casa.

EN RESUMEN

La razón por la cual la Entropía aumenta es porque a la Naturaleza le gusta así.

La naturaleza no responde a las preguntas “¿Por qué?”. La ciencia solo puede hablar de sus modelos.

La naturaleza nos muestra que en un sistema cerrado, la entropía no cambia o aumenta.

Entonces, “ No siempre aumenta, a menos que incluya escalas de tiempo cosmológicas. ”

Cuando un sistema se vuelve más aleatorio. Por ejemplo, en una reacción, si hay más moles de productos gaseosos que reactivos, aumenta la entropía.

Tenga en cuenta que dije gaseoso. Esto se debe a que los sólidos y los líquidos no son tan aleatorios (observe cómo están dispuestas las partículas), por lo tanto, los moles de productos / reactivos gaseosos son un buen indicador.

Cuando el grado de aleatoriedad de las moléculas aumenta dentro del sistema. Cuando el sistema es insentrópico

Todo el tiempoeeeee. Al aumentar el caos

No lo hace. La segunda ley solo dice que no disminuye espontáneamente en un sistema cerrado. Entonces, la entropía puede permanecer igual.