Fórmula de entropía de Shannon
El Dr. Chan ha enseñado física, química y matemáticas a nivel universitario y de ordenadores durante más de ocho años. La Dra. Chan es doctora en química por la Universidad de Berkeley, tiene un máster en física y 19 créditos de matemáticas aplicadas por la Universidad de Washington, y es licenciada con honores en física por la Universidad de Berkeley.
La entropía es el número de formas y la medida de la posible organización y disposición de un sistema dado. Descubre el concepto y la fórmula de la entropía, cómo aumenta y los términos clave en su relación con la segunda ley de la termodinámica.
¿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 colocar esa pelota? La respuesta: de una manera. ¿Y si cogemos dos bolas y hacemos la misma pregunta? Ahora hay más formas de colocar las dos bolas. Seguimos haciendo esto hasta que todas las bolas estén sobre la mesa. Llegados a este punto, hay tantas formas de disponer la bolsa de bolas que quizá 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 maneras en que un sistema puede organizarse. Cuanto mayor sea la entropía (es decir, cuantas más formas tenga el sistema), más desordenado será el sistema. Otro ejemplo de esta definición de entropía se ilustra al rociar perfume en la esquina de una habitación. Todos sabemos lo que ocurre después. El perfume no se queda en ese rincón de la habitación. Las moléculas de perfume acabarán llenando la habitación. El perfume pasó de un estado ordenado a un estado de desorden al extenderse por toda la habitación.
Entropía übersetzung
La entropía es un concepto científico y una propiedad física medible que se asocia comúnmente con un estado de desorden, aleatoriedad o incertidumbre. El término y el concepto se utilizan en diversos campos, desde la termodinámica clásica, donde se reconoció por primera vez, hasta la descripción microscópica de la naturaleza en la física estadística y los principios de la teoría de la información. Ha encontrado amplias aplicaciones en la química y la física, en los sistemas biológicos y su relación con la vida, en la cosmología, la economía, la sociología, la meteorología, el cambio climático y los sistemas de información, incluida la transmisión de información en las telecomunicaciones[1].
El concepto de termodinámica fue referido por el científico e ingeniero escocés Macquorn Rankine en 1850 con los nombres de función termodinámica y potencial térmico[2]. En 1865, el físico alemán Rudolf Clausius, uno de los principales fundadores del campo de la termodinámica, la definió como el cociente entre una cantidad infinitesimal de calor y la temperatura instantánea. Inicialmente la describió como contenido de transformación, en alemán Verwandlungsinhalt, y más tarde acuñó el término entropía a partir de una palabra griega que significa transformación. Refiriéndose a la constitución y estructura microscópica, en 1862, Clausius interpretó el concepto como una disgregación[3].
Entropía gas ideal
La entropía se define como la medida cuantitativa del desorden o la aleatoriedad en un sistema. El concepto proviene de la termodinámica, que se ocupa de la transferencia de energía térmica dentro de un sistema. En lugar de hablar de alguna forma de “entropía absoluta”, los físicos suelen hablar del cambio de entropía que se produce en un proceso termodinámico específico.
En cualquier proceso termodinámico reversible, se puede representar en el cálculo como la integral desde el estado inicial de un proceso hasta su estado final de dQ/T. En un sentido más general, la entropía es una medida de la probabilidad y el desorden molecular de un sistema macroscópico. En un sistema que puede describirse mediante variables, éstas pueden asumir un cierto número de configuraciones. Si cada configuración es igualmente probable, la entropía es el logaritmo natural del número de configuraciones, multiplicado por la constante de Boltzmann:
Se puede ver de la siguiente manera: añadir calor a un sistema hace que las moléculas y los átomos se aceleren. Puede ser posible (aunque difícil) invertir el proceso en un sistema cerrado sin extraer energía o liberar energía en otro lugar para alcanzar el estado inicial. Nunca se puede conseguir que todo el sistema sea “menos energético” que cuando empezó. La energía no tiene adónde ir. En los procesos irreversibles, la entropía combinada del sistema y su entorno siempre aumenta.
Prueba de la fórmula de entropía de Gibbs
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Cada sistema que nos rodea tiene un grado diferente de caos asociado. Mientras que los átomos de los metales están dispuestos en entramados muy ordenados, los movimientos de las moléculas de gas en el aire son mucho más caóticos e imprevisibles. Desde el siglo XIX, los físicos han descrito este caos utilizando una cantidad conocida como “entropía”. Los cambios de entropía que se producen durante los procesos físicos constituyen la base de una de las leyes más fundamentales de la física: La Segunda Ley de la Termodinámica. Esta ley establece que, en cualquier sistema cerrado al exterior, la entropía no debe disminuir con el tiempo; de este modo, el universo se vuelve más caótico en su conjunto.
Como describe el Dr. Biró, este inevitable aumento de la entropía representa una disminución del número de posibles disposiciones de partículas sobrantes, o “estados”, en los que puede encontrarse un sistema a medida que avanza el paso del tiempo. “Macroscópicamente, se ha demostrado que la entropía nunca disminuye espontáneamente; una idea relacionada con la ‘flecha del tiempo’, o la irreversibilidad”, explica. “Muchos procesos en la naturaleza terminan sólo en algunos estados seleccionados, mientras que pueden comenzar en cualquiera de una cantidad inmensamente mayor de estados posibles. Todos los cambios microscópicos en un sistema cerrado complicado conspiran para que la entropía total nunca disminuya”.