En termodinámica , la interpretación de la entropía como medida de dispersión de energía se ha ejercido en el contexto de la visión tradicional, introducida por Ludwig Boltzmann , de la entropía como medida cuantitativa del desorden . El enfoque de dispersión de energía evita el término ambiguo " desorden ". Uno de los primeros defensores de la concepción de la dispersión de energía fue Edward A. Guggenheim en 1949, utilizando la palabra "propagación". [1] [2]
En este enfoque alternativo, la entropía es una medida de dispersión o propagación de energía a una temperatura específica . Los cambios de entropía pueden relacionarse cuantitativamente con la distribución o el esparcimiento de la energía de un sistema termodinámico , dividida por su temperatura.
Algunos educadores proponen que la idea de dispersión de energía es más fácil de entender que el enfoque tradicional. El concepto se ha utilizado para facilitar la enseñanza de la entropía a estudiantes que comienzan en química y biología en la universidad .
El término "entropía" se ha utilizado desde principios de la historia de la termodinámica clásica , y con el desarrollo de la termodinámica estadística y la teoría cuántica , los cambios de entropía se han descrito en términos de la mezcla o "dispersión" de la energía total de cada constituyente. de un sistema sobre sus niveles de energía cuantificados particulares.
Tales descripciones han tendido a usarse junto con términos de uso común como desorden y aleatoriedad, que son ambiguos [3] [4] [5] y cuyo significado cotidiano es el opuesto de lo que pretenden significar en termodinámica. Esta situación no sólo causa confusión, sino que también dificulta la enseñanza de la termodinámica. Se pedía a los estudiantes que captaran significados que contradecían directamente su uso normal, equiparando el equilibrio con un "desorden interno perfecto" y describiendo la mezcla de leche y café desde el caos aparente hasta la uniformidad como una transición de un estado ordenado a un estado desordenado. [ cita necesaria ]
La descripción de la entropía como la cantidad de "confusión" o "desorden", así como la naturaleza abstracta de la mecánica estadística que fundamenta esta noción, puede generar confusión y dificultades considerables para quienes se inician en el tema. [6] [7] Aunque los cursos enfatizaban los microestados y los niveles de energía , la mayoría de los estudiantes no podían ir más allá de nociones simplistas de aleatoriedad o desorden. Muchos de los que aprendieron practicando cálculos no entendían bien los significados intrínsecos de las ecuaciones y se necesitaban explicaciones cualitativas de las relaciones termodinámicas. [8] [9]
Arieh Ben-Naim recomienda abandonar la palabra entropía , rechazando tanto la interpretación de "dispersión" como la de "desorden"; en cambio, propone la noción de "información faltante" sobre los microestados tal como se considera en la mecánica estadística, que considera de sentido común. [10]
El aumento de entropía en un proceso termodinámico se puede describir en términos de "dispersión de energía" y "diseminación de energía", evitando al mismo tiempo mencionar el "desorden" excepto cuando se explican conceptos erróneos. Todas las explicaciones sobre dónde y cómo se dispersa o propaga la energía se han reformulado en términos de dispersión de energía, para enfatizar el significado cualitativo subyacente. [6]
En este enfoque, la segunda ley de la termodinámica se introduce como "La energía se dispersa espontáneamente desde su localización hasta su extensión si no se le impide hacerlo", a menudo en el contexto de experiencias comunes como la caída de una piedra, una sartén caliente enfriamiento, oxidación del hierro, aire que sale de un neumático pinchado y hielo derritiéndose en una habitación cálida. Luego, la entropía se describe como un tipo sofisticado de criterio de "antes y después": mide cuánta energía se distribuye en el tiempo como resultado de un proceso como calentar un sistema, o qué tan ampliamente distribuida está la energía después de que algo sucede en comparación. con su estado anterior, en un proceso como expansión de gases o mezcla de fluidos (a temperatura constante). Las ecuaciones se exploran con referencia a las experiencias comunes, con énfasis en que en química la energía que la entropía mide como dispersante es la energía interna de las moléculas.
La interpretación estadística está relacionada con la mecánica cuántica al describir la forma en que la energía se distribuye (cuantiza) entre las moléculas en niveles de energía específicos, con toda la energía del macroestado siempre en un solo microestado en un instante. La entropía se describe como la medida de la dispersión de energía de un sistema por el número de microestados accesibles, el número de disposiciones diferentes de toda su energía en el instante siguiente. Por tanto, un aumento de entropía significa un mayor número de microestados para el estado final que para el estado inicial y, por tanto, más disposiciones posibles de la energía total de un sistema en cualquier instante. Aquí, la mayor "dispersión de la energía total de un sistema" significa la existencia de muchas posibilidades. [ cita necesaria ] [11]
El movimiento continuo y las colisiones moleculares, visualizados como bolas que rebotan impulsadas por el aire, tal como se usan en una lotería, pueden llevar a mostrar las posibilidades de muchas distribuciones de Boltzmann y a una "distribución del instante" en constante cambio, y a la idea de que cuando el sistema cambios, las moléculas dinámicas tendrán un mayor número de microestados accesibles. En este enfoque, todos los acontecimientos físicos y reacciones químicas espontáneos cotidianos se describen como que involucran algún tipo de flujo de energía que va desde estar localizado o concentrado hasta extenderse a un espacio más grande, siempre a un estado con un mayor número de microestados. [12]
Este enfoque proporciona una buena base para comprender el enfoque convencional, excepto en casos muy complejos donde la relación cualitativa entre la dispersión de energía y el cambio de entropía puede quedar tan inextricablemente oscurecida que resulta discutible. [12] Por lo tanto, en situaciones como la entropía de la mezcla, cuando las dos o más sustancias diferentes que se mezclan están a la misma temperatura y presión, por lo que no habrá intercambio neto de calor o trabajo, el aumento de entropía se deberá a la dispersión literal. de la energía motriz de cada sustancia en el volumen final combinado más grande. Las moléculas energéticas de cada componente se separan más entre sí de lo que estarían en estado puro, cuando en estado puro chocaban sólo con moléculas adyacentes idénticas, lo que lleva a un aumento en el número de microestados accesibles. [13]
Se han adoptado variantes del enfoque de dispersión de energía en varios textos de química de pregrado, [ cita necesaria ] principalmente en los Estados Unidos. Un texto respetado dice:
El concepto de "disipación de energía" se utilizó en el artículo de Lord Kelvin de 1852 "Sobre una tendencia universal en la naturaleza hacia la disipación de energía mecánica". [15] Distinguió entre dos tipos o "depósitos" de energía mecánica: "estáticos" y "dinámicos". Discutió cómo estos dos tipos de energía pueden cambiar de una forma a otra durante una transformación termodinámica. Cuando el calor se crea mediante cualquier proceso irreversible (como la fricción), o cuando el calor se difunde por conducción, la energía mecánica se disipa y es imposible restaurar el estado inicial. [16] [17]
Utilizando la palabra "propagación", uno de los primeros defensores del concepto de dispersión de energía fue Edward Armand Guggenheim . [1] [2] A mediados de la década de 1950, con el desarrollo de la teoría cuántica , los investigadores comenzaron a hablar de cambios de entropía en términos de la mezcla o "distribución" de la energía total de cada componente de un sistema sobre sus niveles de energía cuantificados particulares. , como por los reactivos y productos de una reacción química . [18]
En 1984, el químico físico de Oxford Peter Atkins, en un libro La Segunda Ley , escrito para legos, presentó una interpretación no matemática de lo que llamó la "entropía infinitamente incomprensible" en términos simples, describiendo la Segunda Ley de la termodinámica como "la energía tiende a dispersar". Sus analogías incluían un ser inteligente imaginario llamado "Demonio de Boltzmann", que corre reorganizando y dispersando energía, para mostrar cómo la W en la fórmula de entropía de Boltzmann se relaciona con la dispersión de energía. Esta dispersión se transmite a través de vibraciones y colisiones atómicas. Atkins escribió: "cada átomo transporta energía cinética , y la dispersión de los átomos propaga la energía... por lo tanto, la ecuación de Boltzmann captura el aspecto de la dispersión: la dispersión de las entidades que transportan la energía". [19] : 78, 79
En 1997, John Wrigglesworth describió las distribuciones espaciales de partículas representadas por distribuciones de estados de energía. Según la segunda ley de la termodinámica, los sistemas aislados tenderán a redistribuir la energía del sistema en una disposición más probable o en una distribución de energía de máxima probabilidad, es decir, desde la de estar concentrado hasta la de estar disperso. En virtud de la Primera ley de la termodinámica , la energía total no cambia; en cambio, la energía tiende a dispersarse por el espacio al que tiene acceso. [20] En su Termodinámica estadística de 1999 , MC Gupta definió la entropía como una función que mide cómo se dispersa la energía cuando un sistema cambia de un estado a otro. [21] Otros autores que definen la entropía de una manera que incorpora la dispersión de energía son Cecie Starr [22] y Andrew Scott. [23]
En un artículo de 1996, el físico Harvey S. Leff expuso lo que llamó "la difusión y el intercambio de energía". [24] Otro físico, Daniel F. Styer , publicó un artículo en 2000 mostrando que la "entropía como desorden" era inadecuada. [25] En un artículo publicado en 2002 en el Journal of Chemical Education , Frank L. Lambert argumentó que describir la entropía como "desorden" es confuso y debería abandonarse. Continuó desarrollando recursos detallados para profesores de química, equiparando el aumento de entropía con la dispersión espontánea de energía, es decir, cuánta energía se distribuye en un proceso, o qué tan ampliamente se dispersa, a una temperatura específica. [6] [26]