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Scienza

Cosa significa “Entropia”?

Bentornati ad un'altra eccezionale edizione delle domande di cultura generale !

Questa volta abbiamo cercato una curiosità scientifica :

quindi so che ha a che fare con la seconda legge della termodinamica, che per quanto ne so significa che diversi tipi di energia cercheranno sempre di “diffondersi out “, a meno che non venga ostacolato. ma cosa fa esattamente 'entropia ' significare. cosa vuol dire definire o dove si adatta.

Ed ecco le risposte degli esperti:

L'entropia è una misura di “quanti microstati di piombo allo stesso macrostato “(c'è anche un registro naturale lì, ma non è importante per questa conversazione). Questo probabilmente non chiarisce molto, ma facciamo un esempio, con un pezzo di ferro.

Se tieni solo in mano un pezzo di ferro che hai estratto dalla Terra, non avrà, o almeno campo magnetico molto piccolo. Se prendi un magnete e lo strofini più volte sul pezzo di ferro, il ferro stesso diventerà magnetico. Che cosa sta succedendo? Ebbene, il ferro è costituito da molti minuscoli dipoli magnetici. Quando il ferro è semplicemente seduto lì, il più delle volte, i piccoli dipoli sono tutti rivolti in direzioni casuali e arbitrarie. Sommate tutti questi minuscoli dipoli magnetici e se sono solo casuali, in media si somma a zero. Quindi, nessun campo magnetico complessivo.

Ma quando strofini un magnete sul pezzo di ferro, ora i piccoli dipoli si allineano tutti, rivolti verso lo stesso direzione. Ora, quando aggiungi tutti i singoli dipoli insieme, non ottieni zero, ottieni un numero, che punta nella direzione in cui i dipoli sono allineati.

Quindi, ricollegando questo all'entropia, il ferro non magnetizzato ha un'entropia elevata. Perché? Ebbene, ognuno di questi dipoli individuali è un “microstato” e ci sono molte, molte opzioni su come disporre i singoli dipoli per arrivare al “macrostato” di “nessun campo magnetico”. Ad esempio, pensa a 4 atomi disposti in un quadrato. Per ottenere il macrostato di “nessun campo magnetico” potresti avere quello in alto a destra che punta “su”, quello in alto a sinistra che punta a “destra”, quello in basso a destra verso il basso e quello in basso a sinistra che punta a sinistra. Sarebbe pari a zero. Ma anche, potresti cambiare le direzioni in alto a sinistra e in alto a destra, e ottenere comunque zero, cambiare in alto a sinistra e in basso a sinistra, ecc. In effetti, facendo il modello semplificato in cui i dipoli possono affrontare solo 4 direzioni, ci sono ancora 12 opzioni per 4 piccoli dipoli da aggiungere a zero.

Ma, cosa succederebbe se invece il campo magnetico fosse 2 a destra (2 cosa? 2 “il valore del mini dipolo” per questo). Cosa sappiamo? Sappiamo che ce ne sono tre che puntano a destra e uno che punta a sinistra, quindi si sommano a 2. Quante opzioni ci sono? Solo 4. E se il campo magnetico fosse 4 a destra, ora c'è solo una disposizione che funziona, tutte rivolte a destra.

Quindi, il “non magnetizzato” è l'entropia più alta (12 possibili microstati che portano al macrostato 0), il “un po 'magnetizzato” ha l'entropia “media” (4 microstati) e il “molto magnetizzato” ha il più basso (1 microstato).

La seconda legge della termodinamica dice “le cose tenderanno verso una maggiore entropia a meno che non si immetta energia nel sistema”. Questo è vero con questo pezzo di ferro. Più a lungo rimane lì, meno magnetizzato diventerà. Perché? Bene, piccole collisioni o fluttuazioni magnetiche casuali faranno girare i mini dipoli in una direzione casuale. Quando ruotano in modo casuale, è meno probabile che si “allineino” tutti, quindi l'entropia aumenta e il magnetismo diminuisce. E ci vuole energia (sfregando il magnete sul ferro) per diminuire l'entropia, allineando i dipoli.

Molte di queste risposte le danzano intorno ma in qualche modo mancano il bersaglio. Ho scoperto che una delle migliori spiegazioni semplici è che l'entropia è una misura dell'indisponibilità di energia in un sistema. Dire cose come “disordine” era popolare ma è un po 'fuorviante e molti educatori si stanno allontanando da quel termine.

In realtà ho scritto un articolo per l'American Society of Engineering Education sui modi più efficaci per insegnare il concetto di entropia. Ci sono molti esempi che possono aiutarti a comprendere meglio questo argomento https://peer.asee.org/a -approccio-visivo-intuitivo-all'insegnamento-e-apprendimento-del-concetto-di-entropia-termodinamica.pdf

Questo blog mi ha aiutato a capire molto di più l'entropia, vigilia dopo aver studiato l'entropia in termodinamica: Capire l'entropia con le pecore https://aatishb.com/entropy/

Per rispondere alla tua domanda, l'entropia è il registro matematico del numero di stati che un sistema può assumere. Immagina un vaso con molecole di gas e lo stato del sistema è la posizione di ciascuna molecola. Man mano che aumentiamo il calore (che aumenta anche l'entropia), le molecole hanno più energia e quindi aumentano gli stati che il sistema può sopportare: ci sarebbe molta più casualità, molte più collisioni, ecc. Se abbassiamo la temperatura, gli stati possibili si riducono e riduciamo l'entropia. Sebbene misurare il numero esatto di stati che possono esistere non sia misurabile con precisione, attraverso la sperimentazione, gli scienziati sono riusciti a comprendere / inferire la relazione che questa quantità (numero di stati) ha con altre caratteristiche fisiche (temperatura, pressione, volume, ecc.) In alcuni situazioni, questo ci aiuta a rappresentare meglio principi termodinamici come il grafico del ciclo TS per il ciclo di Carnot (ideale), dove nella fase di espansione, un gas si espande senza perdere energia termica o temperatura (mantenendo così costante l'entropia).

L'entropia mi turba sempre in quanto è un concetto astratto che è direttamente difficile da misurare (non possiamo contare fisicamente il numero di stati possibili) – Ho avuto lo stesso problema nel capire, ad esempio, l'energia termica. La temperatura è un concetto derivato, ma è facilmente misurabile, mentre la quantità fisica è l'energia termica, che non può essere misurata.

Qualcuno mi corregge se sbaglio, ma da quello che ho sentito l'entropia è una specie di energia che si bilancia. Ad esempio, un caffè caldo che scende a temperatura ambiente e riscalda leggermente la stanza o il sole irradia il suo calore. E una volta che l'entropia è finita e tutta l'energia è bilanciata, l'universo è sostanzialmente finito ed è la fine di ogni essere vivente perché nessuna energia trasferita significa che non possono usarla