L’entropia è un parametro termodinamico che misura il grado di organizzazione di un sistema. La termodinamica studia i processi macroscopici in cui il trasferimento di calore si traduce in altre forme di energia e come viene prodotto il lavoro. L’entropia, indicata con il simbolo S , misura i microstati compatibili con un macrostato termodinamico all’equilibrio. Il termine entropia deriva dal greco e significa trasformazione. Il suo valore cresce nei processi con trasferimento di energia, e si dice che l’entropia descriva l’irreversibilità di un sistema termodinamico.
In un processo isotermico, in cui non vi è variazione di temperatura, la variazione di entropia tra due stati termodinamici in equilibrio, D S = S 2 – S 1 , è uguale alla variazione di calore tra i due stati D Q = Q 2 – Q 1 diviso per la temperatura assoluta T.
D S = D Q/T
Il concetto di entropia venne dalla mente di Rudolf Clausius nel 1850, quando cercò di spiegare perché l’energia viene sempre persa nella conversione dell’energia termica nei processi termodinamici. Clausius stabilì il concetto di sistema termodinamico e postulò che in ogni processo irreversibile viene dissipata una certa quantità di energia. Successivamente, tra il 1890 e il 1900, Ludwing Boltzmann, insieme ad altri fisici, sviluppò quella che oggi è nota come fisica statistica , ridefinendo l’entropia associandola ai possibili microstati di un sistema mediante la seguente equazione.
S = kB ln ( W )
W rappresenta il numero di possibili microstati di un sistema; il suo logaritmo naturale moltiplicato per la costante di Boltzmann kB dà il valore dell’entropia S di un sistema termodinamico. Il valore della costante di Boltzmann è 1,38065 × 10 −23 J/K.
La formula precedente esprimeva la variazione di entropia tra due stati di equilibrio di un sistema termodinamico e non definiva un valore di entropia per un sistema. Invece, questa formula assegna un valore assoluto all’entropia di un sistema termodinamico. L’interpretazione non è sempre chiara, ma si può dire che l’entropia misura il disordine dei microcomponenti di un macrosistema termodinamico; a sua volta, quel disordine o agitazione è correlato alla temperatura del sistema.
La termodinamica si basa su quattro principi:
- Il Principio Zero afferma che se due sistemi sono in equilibrio termico con un terzo sistema, saranno anche in equilibrio termico tra loro.
- Secondo il primo principio, un sistema chiuso può scambiare energia con l’ambiente circostante sotto forma di lavoro e calore, accumulando energia sotto forma di energia interna.
- La seconda legge postula che l’entropia dell’universo tende sempre ad aumentare. Un postulato alternativo enunciato da Clausius stabilisce che non è possibile un processo il cui unico risultato sia il trasferimento di calore da un corpo a temperatura più bassa a un altro a temperatura più alta.
- Infine, la terza legge della termodinamica, come postulata da Walther Nernst, afferma che la temperatura zero assoluto non può essere raggiunta (0 sulla scala Kelvin o Rankine).
Fonti
- Brissaud JB I significati dell’entropia . Entropia, 7(1), 68-96, 2005.
- Cuesta, JA L’entropia come creatore dell’ordine . Rivista spagnola di fisica, 20(4) 13-19, 2006.