¿Qué es la entropía?

La entropía (termino procedente del griego, y que significa “vuelta” o “transformación”)  es un concepto crucial tanto para la física como para la química , así como para otras ciencias tales como la informática, las matemáticas y la lingüística.

Enfocándonos en el campo de la termodinámica, se entiende por entropía (simbolizada como S) a una magnitud física que para un sistema termodinámico en equilibrio mide el número de microestados compatibles con el macroestado de equilibrio, también se puede decir que mide el grado de organización del sistema, o que es la razón de un incremento entre energía interna frente a un incremento de temperatura del sistema.

La entropía, en esencia, es una medida que calcula la probabilidad de que ocurran cambios en el sistema en función de la probabilidad de sus microestados.

La entropía es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se da de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

La variación de entropía nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. La entropía de formación de un compuesto químico se establece midiendo la que conforma a cada uno de sus elementos constituyentes. A mayor entropía de formación, más favorable será su formación. Por lo tanto, si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular (mayor entropía) que los reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados.

¿Cómo calcular la entropía?

La entropía se puede definir como la medida cuantitativa del desorden o 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 sobre alguna forma de "entropía absoluta", los físicos suelen generalmente hablar sobre el cambio de entropía que tiene lugar en un proceso termodinámico específico.

Cálculo de entropía

En un proceso isotérmico , el cambio en la entropía (delta-S) es el cambio en el calor ( Q ) dividido por la temperatura absoluta ( T ):

En cualquier proceso termodinámico reversible, se puede representar en cálculo como la integral de un estado inicial de un proceso a 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 por variables, hay una cierta cantidad de configuraciones que pueden asumir esas variables. Si cada configuración es igualmente probable, entonces la entropía es el logaritmo natural del número de configuraciones, multiplicado por la constante de Boltzmann.

donde S es entropía, Kb es la constante de Boltzmann, ln es el logaritmo natural y W representa el número de estados posibles. La constante de Boltzmann es igual a:

Unidades de entropía

La entropía se considera una propiedad extensa de la materia que se expresa en términos de energía dividida por la temperatura. Las unidades en el sistema internacional (SI), suelen colocarse como J / K (joules / grados Kelvin).

Entropía y la segunda ley de la termodinámica

Una forma de establecer la segunda ley de la termodinámica es:

En cualquier sistema cerrado, la entropía del sistema permanecerá constante o aumentará.

Una forma de ver esto es que agregar calor a un sistema hace que las moléculas y los átomos se aceleren. Puede ser posible (aunque complicado) revertir el proceso en un sistema cerrado (es decir, sin extraer energía o liberar energía en otro lugar) para alcanzar el estado inicial, pero nunca se puede obtener todo el sistema "menos enérgico" de lo que comenzó, la energía simplemente no tiene ningún lugar adonde ir. Para procesos irreversibles, la entropía combinada del sistema y su entorno siempre aumenta.

Conceptos erróneos sobre la entropía

Esta visión de la segunda ley de la termodinámica es muy popular y ha sido mal utilizada. Algunos sostienen que la segunda ley de la termodinámica significa que un sistema nunca puede volverse más ordenado. No es verdad. Simplemente significa que para volverse más ordenado (para que la entropía disminuya), debe transferir energía desde algún lugar fuera del sistema, como cuando una mujer embarazada extrae energía de los alimentos para hacer que el óvulo fertilizado se convierta en un bebé completo, completamente en alinearse con las disposiciones de la segunda línea.

También conocido como: Desorden, Caos, Aleatoriedad (los tres sinónimos imprecisos)

Entropía absoluta

Un término relacionado es "entropía absoluta", que se denota por S en lugar de Δ S . La entropía absoluta se define según la tercera ley de la termodinámica. Aquí se aplica una constante que lo hace para que la entropía en el cero absoluto se defina como cero.