La entropía es... ¿desorden?

Personalmente encuentro los términos consistentes. Piense en la entropía como propone Boltzman:$S=k \, \ln W$Lo que significa que los estados de alta entropía se pueden realizar a través de muchas configuraciones diferentes. El estado verdaderamente ordenado (suponga que organiza una escultura a partir de átomos) se puede realizar a través de un número mucho menor de estados microscópicos. De nuevo, el equilibrio no es orden, es un caos.

Lo que te falta es la definición microscópica de entropía, una vez que sepas eso, entenderás por qué la gente dice que la entropía es desorden.

El equilibrio como orden

Primero, abordemos su intuición válida de que el equilibrio es una forma de orden. De hecho, si todo está en equilibrio térmico, solo necesita medir la temperatura en algún lugar y luego sabrá la temperatura de todo. En nuestro fuera de equilibrio, mi cuerpo, mi computadora portátil, la habitación, el espacio exterior, todos tienen temperaturas diferentes, y necesito más información para saber el estado de todo, y siento que esto está menos "ordenado" que el caso del equilibrio térmico.

Lo que sucede es que menos información necesaria corresponde a un mayor grado de orden. Bueno, tengamos eso en mente para lo siguiente.

La entropía es un desorden microscópico.

En Física sabemos que las propiedades de los objetos macroscópicos están determinadas por los movimientos de las partículas que los componen. En particular, la temperatura de un gas es el movimiento desorganizado de los átomos que lo componen.

A medida que aumenta la temperatura, los átomos se moverán cada vez más erráticamente y tendrán diversas velocidades en un momento dado.
A medida que lo enfríes, las partículas se moverán cada vez más lentamente, hasta que tal vez se congelen en su lugar, formando un sólido.

¿Cuál de los dos, el retículo inmóvil y regular del sólido o la conmoción zumbante de las partículas que forman un gas, le parece más desordenado ? Definitivamente el segundo. Sabes por la termodinámica que el gas tiene mayor entropía que el sólido. De hecho, existe una fórmula precisa que vincula la variable de estado macroscópica$S$, la entropía y la concepción microscópica del desorden que describí.

Conclusión: las dos ideas son reconciliables

En la "muerte térmica" proyectada del universo, en todas partes hay temperatura y densidad constantes. En ese sentido, el universo es homogéneo y por lo tanto ordenado. Pero microscópicamente, en los movimientos de las partículas, ese es el estado en el que hay menos orden: sin estructura alguna, solo una gran sopa de partículas zumbantes.

En primer lugar, como afirma Madan Ivan: el equilibrio no es orden. Pero puede obtener ciertos sistemas que se encuentran en un equilibrio "local" metaestable (lo que significa que necesita algo de energía para moverlo desde allí), por ejemplo, un cristal. Estos pueden ser muy ordenados.

Intuitivamente: si golpeas el cristal con un martillo, se rompe en pedazos. Esto te acerca al equilibrio global. En el universo como un todo hay intercambio de energía entre dichos subsistemas y la segunda ley de la termodinámica establece que el orden general disminuye por estos procesos.

Así que creo que su problema son los dos usos de la palabra equilibrio. Los equilibrios metaestables pueden ser de orden mientras que el que se utiliza en la segunda ley es el mínimo global.

Un comentario sobre la entropía en general: no hay una sola, hay muchas. En termodinámica solo hay 3 distintos. Los nombres que uso a continuación no son oficiales, ya que la literatura en su mayoría no los distingue.

1. La entropía de Gibbs : $$S_G = -k \sum_{N} \int d \tau_N p_N \log(p_N)$$ donde la suma es sobre todos los estados del sistema y$p_N$es la probabilidad de ello. Resulta que esta es una constante de las ecuaciones de movimiento.
2. La entropía de Boltzmann : $$S_B = -k \sum_{1} \int d \tau_1 p_1 \log(p_1)$$ dónde$p_1$es ahora la distribución de una partícula. Esta entropía es simplemente incorrecta, pero se usa mucho.
3. Entropía experimental : $$\Delta S_E = \int dQ/T$$ Este es el que aumenta.

Se puede demostrar que tanto 1. como 3. son cantidades importantes, pero la segunda ley se aplica a la 3. una.

Referencias: Lamentablemente, solo puedo vincular a este http://www.oxfordmartin.ox.ac.uk/event/1348 , que es de donde obtuve la información.

La entropía no es desorden; es falta de información.

Considere la fórmula de la entropía$S = k_b \log \Omega$. Aquí,$\Omega$es el número de microestados (conjuntos de posiciones/momentos de partículas) correspondientes a un macroestado observado (algo macroscópico que podemos observar, como 'el gas tiene volumen$V$y presión$P$). Lo que significa esta fórmula es que la entropía es proporcional a la cantidad de información que nos falta: la cantidad de bits adicionales que necesitaríamos saber, además de conocer el macroestado, para especificar completamente el microestado.

Por ejemplo, considere la transferencia de calor$Q$y trabajo$W$. Aunque ambos intercambian energía, solo el primero aumenta la entropía. Eso tiene sentido, porque la única diferencia entre la transferencia de calor y el trabajo es que la transferencia de calor se realiza de forma desordenada. No sabemos exactamente cómo sucedió, por lo que nuestra falta de información aumenta.

Dado que la transferencia de calor aumenta la entropía, la máxima entropía se alcanza en el equilibrio térmico. En ese momento, básicamente no sabemos nada en absoluto.

No, en realidad este es un mito perpetuado sobre la entropía que incluso los propios científicos (y los planes de estudios escolares) propagan.

Para responder a esto y disipar el mito, haga esta simple pregunta: ¿ desorden con respecto a qué exactamente ?

¿Por qué un gas uniforme está más desordenado que un gas con dos fases?

Por supuesto, un gas uniforme tiene más (otra) simetría, de hecho adquiere las simetrías del entorno subyacente. Pero también el gas bifásico, tiene una cierta simetría (y no otras) derivada del proceso ambiental subyacente. Hasta aquí todo bien. ¿Dónde está exactamente el " desorden " y con respecto a qué y para quién es éste un " desorden "? Creo que entiendes el punto que se quiere decir aquí.

Claramente, aquí se usa un concepto muy subjetivo (por mencionar lo mínimo) de desorden que no se explica en ninguna parte. Sólo se declara como un hecho lo que no lo es.

Algunos toman esto aún más equiparando la entropía con la muerte frente a la vida, lo cual es aún más absurdo. Uno puede tener una serie de jaulas perfectamente ordenadas, pero no tendrá vida en ellas.

Considere esto antes de aceptar cualquier cosa que le arrojen que suene científico (aunque no lo sea)

PD

Si desea la versión científica completa de esta respuesta, consulte (especialmente) los trabajos de I. Prigogine sobre entropía, sistemas dinámicos complejos y sistemas biológicos. ej ., "Del ser al devenir: tiempo y complejidad en las ciencias físicas"

Otras escuelas de termodinámica también tienen enfoques similares y hechos difíciles a considerar. Para una revisión de exposición popular, pero algo completa, por ejemplo: "La flecha del tiempo: un viaje a través de la ciencia para resolver el misterio más grande del tiempo"

Resumir:

entropía

1. NO es desorden (enfoque mecanicista)
2. NO es falta de información (enfoque bayesiano/subjetivista),
3. NO es contrario a la evolución (enfoque de diseño inteligente)
4. NO es simplemente un efecto estadístico (enfoque cuántico-mecánico/estadístico)
5. NO está relacionado únicamente con procesos de equilibrio lineal y (estático), de hecho, la entropía y (sí) la segunda ley se han generalizado (diría simplemente aclarado ) para procesos (dinámicos) de no equilibrio / no lineales

Consulte "¿Qué es la segunda ley de la termodinámica y existen límites para su validez?"

resumen

En la literatura científica y de ingeniería, la segunda ley de la termodinámica se expresa en términos del comportamiento de la entropía en procesos reversibles e irreversibles. De acuerdo con la interpretación predominante de la mecánica estadística, la entropía se considera un atributo estadístico no físico, una medida del desorden en un sistema, de la falta de información sobre el sistema o del borrado de la información recopilada sobre el sistema, y ​​se utilizan una plétora de expresiones analíticas. propuestas para las distintas medidas. En este artículo, presentamos dos exposiciones de la termodinámica (ambas 'revolucionarias' en el sentido de Thomas Kuhn con respecto a la mecánica estadística convencional y las exposiciones tradicionales de la termodinámica) que se aplican a todos los sistemas (tanto macroscópicos como microscópicos, incluidos los de una sola partícula o de un solo espín). sistemas), ya todos los estados (equilibrio termodinámico o estable, no equilibrio y otros estados). .. Aquí la entropía emerge como una propiedad microscópica no estadística de la materia.

La entropía es uno de los hechos más básicos (y menos comprendidos, analizados) relacionados directamente con la causalidad, la flecha del tiempo, la mecánica cuántica y la evolución.

De hecho, la mayoría (si no todas) las ecuaciones reversibles en el tiempo son incorrectas (o al menos aproximaciones crudas) en lugar de la entropía y la flecha del tiempo en sí.

Para citar al cosmólogo Arthur Eddington :

La ley de que la entropía siempre aumenta ocupa, creo, la posición suprema entre las leyes de la Naturaleza. Si alguien le señala que su teoría favorita del universo no está de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, entonces tanto peor para las ecuaciones de Maxwell. Si se descubre que la observación lo contradice, bueno, estos experimentadores a veces cometen errores. Pero si se encuentra que su teoría está en contra de la Segunda Ley de la Termodinámica, no puedo darle ninguna esperanza; no le queda más remedio que derrumbarse en la más profunda humillación.

Las referencias dadas arriba disipan todos estos conceptos erróneos.

La entropía es un concepto engañoso y difícil de entender. Personalmente tiendo a evitar hablar de sistemas y fenómenos en términos de entropía y/o temperatura porque dicen muy poco de la dinámica, y creo que las leyes dinámicas son las que impulsan el universo.

Cuando escuchamos que los sistemas tienden a aumentar la entropía, decimos que hay leyes dinámicas que los conducen hacia estados de mayor entropía. Pero esto proviene de nuestro conocimiento de que para sistemas simples con comportamiento microscópico elemental (como gases ideales o líquidos ideales) al comparar dos estados de equilibrio, el que tiene mayor entropía es más estable.

Esto podría malinterpretarse como una evidencia de que los sistemas en general evolucionan al aumentar la entropía, lo que puede demostrarse incorrecto. De hecho el universo evoluciona de tal manera que en vez de tender a ser homogéneo, está altamente organizado (galaxias, estrellas, planetas, seres vivos).

Mi enfoque a esto sería doble: primero, la dinámica microscópica no es elemental, lo que significa que las moléculas tienen más grados de libertad de los que concebimos cuando tendemos a pensar solo en términos de entropía para predecir el comportamiento del sistema. Esta es la misma idea de Gibbs cuando amplió la termodinámica clásica al permitir que cambiara el número de moléculas, lo que explica los sistemas en los que pueden ocurrir reacciones. Pero podemos pensar en otros tipos de "cambios cualitativos" (como me gusta llamarlos), como lo hizo Terrell Hill en su concepción de la Termodinámica de Pequeños Sistemas.

En segundo lugar, creo que no debemos olvidar que la dinámica de evolución del sistema físico es fundamentalmente diferente de lo que esperamos al decir que los sistemas tienden a aumentar su entropía, esto simplemente no se verifica y, en mi opinión, es engañoso.

Una nota final al decir que la temperatura, como entropía, se refiere a estados equilibrados y también se cree erróneamente que se comporta de la misma manera que lo hace la energía. Pero no es así: la dinámica de los sistemas no depende de la temperatura, sino de las energías relativas de las partes involucradas. Microscópicamente hablando, la dinámica de la colisión depende de las energías o momentos relativos, más que de su promedio. También en un sistema no equilibrado, la temperatura (entendida como energía cinética media) fluctuará en gran medida espacialmente antes de que todo el sistema alcance el equilibrio.

PD: Sir Roger Penrose tiene argumentos muy interesantes sobre el concepto de Entropía y evolución del Universo en esta charla .

La ley de entropía puede reinterpretarse (cómicamente) como "el equilibrio es un estado de máximo desorden posible bajo restricciones físicas dadas". Entonces... las cosas siguen empeorando hasta que es tan malo como puede llegar a ser. Intuitivamente, una gran entropía significa que las cosas se ven más o menos iguales (macroscópicamente) para muchas realizaciones microscópicas diferentes. Cuando el sistema evoluciona, es estadísticamente fácil encontrarse en uno de los muchos estados de alta entropía, pero muy rara vez puede tropezar con un estado ordenado al azar. Imagina tratar de sacudir una caja de monedas: ¿cuál es la probabilidad de que te salga cruz? El estado de equilibrio (sigues agitando la caja - simulación de movimiento térmico) será alrededor de mitad cruz mitad cara, más menos la desviación estándar, típica para este sistema (después de la distribución binomial). Entonces... desorden. En otra comparación, los padres de todo el mundo saben que la habitación solo se vuelve más desordenada y llega a un estado de caos (siendo este el estado de equilibrio). Debes ponerte manos a la obra para volver a ponerlo en orden, y no permanece así por mucho tiempo.

Estoy dando una ilustración de sentido común porque la física ya ha sido cubierta por otras publicaciones. La gente sigue diciendo que la entropía es un concepto difícil de entender, pero eso es solo si no lo explicas bien.

La entropía tiene que ver con el procesamiento de la energía, y decimos que la entropía aumenta cuando la energía se convierte en una forma menos útil: la propagación de la energía. En el máximo estado de desorden es imposible extraer energía para realizar trabajo.

Las razones fundamentales para que aumente la entropía son las fluctuaciones cuánticas aleatorias que estimulan las transiciones de estado de energía que, a su vez, disipan energía en el medio ambiente. Por ejemplo, una tunelización cuántica es estimulada por fluctuaciones cuánticas aleatorias y, después de la tunelización, una parte de la energía se disipa en el entorno (y la entropía del sistema cerrado aumenta). También tenemos el fenómeno del salto cuántico en el que las fluctuaciones cuánticas estimulan a los electrones a pasar de un estado de energía estacionario a un estado más bajo y, durante el proceso, una parte de la energía se disipa en el medio ambiente en forma de fotón.

Lenta pero seguramente, las fluctuaciones cuánticas aleatorias descomponen todas las concentraciones de energía. Es decir, en un futuro lejano, el orden del Universo se ha desvanecido y solo prevalece el desorden aleatorio.

Los términos son convenciones. Con un punto de vista de los humanos somos el orden. Coleccionar algo y ordenarlo en conchas es orden. Pero estoy de acuerdo contigo en que para ordenar algo se necesita energía y esto llevó al desorden y esto también podría ser una posible convención. Pero no lo es.