Entropía (dispersión de energía) - Entropy (energy dispersal)

La interpretación de la entropía como una medida de la dispersión de energía se ha ejercido en el contexto de la visión tradicional, introducida por Ludwig Boltzmann , de la entropía como una 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 Armand Guggenheim en 1949, utilizando la palabra "propagación".

En este enfoque alternativo, la entropía es una medida de la dispersión de energía o la propagación a una temperatura específica . Los cambios en la entropía se pueden relacionar cuantitativamente con la distribución o la propagación de la energía de un sistema termodinámico, dividida por su temperatura .

Algunos educadores proponen que la idea de la 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 los estudiantes que comienzan la química y la biología universitaria .

Comparaciones con el enfoque tradicional

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 "propagación" 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 y cuyo significado cotidiano es el opuesto al que se pretende que signifiquen en termodinámica. Esta situación no solo 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 "desorden interno perfecto" y la mezcla de leche en el café del caos aparente a la uniformidad como una transición de un estado ordenado a un estado desordenado.

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 comienzan el tema. Aunque los cursos enfatizaban los microestados y los niveles de energía , la mayoría de los estudiantes no podían ir más allá de las nociones simplistas de aleatoriedad o desorden. Muchos de los que aprendieron practicando cálculos no entendieron bien los significados intrínsecos de las ecuaciones, y era necesario contar con explicaciones cualitativas de las relaciones termodinámicas.

Arieh Ben-Naim recomienda el abandono de la palabra entropía , rechazando tanto la interpretación de "dispersión" como la de "desorden"; en su lugar, propone la noción de "información faltante" sobre los microestados tal como se considera en la mecánica estadística, que él considera de sentido común.

Descripción

El aumento de la entropía en un proceso termodinámico se puede describir en términos de "dispersión de energía" y "dispersión de energía", mientras se evita la mención de "desorden" excepto cuando se explican conceptos erróneos. Todas las explicaciones de dónde y cómo se está dispersando o esparciendo la energía se han reformulado en términos de dispersión de energía, para enfatizar el significado cualitativo subyacente.

En este enfoque, la segunda ley de la termodinámica se introduce como "La energía se dispersa espontáneamente de estar localizada a extenderse si no se le impide hacerlo", a menudo en el contexto de experiencias comunes como la caída de una roca, una sartén caliente enfriamiento, hierro oxidado, aire que deja un neumático pinchado y hielo derritiéndose en una habitación cálida. La entropía se describe luego como una especie de criterio sofisticado de "antes y después": en comparación, mide cuánta energía se distribuye a lo largo del tiempo como resultado de un proceso como calentar un sistema, o qué tan ampliamente distribuida está la energía después de que algo sucede. con su estado anterior, en un proceso como expansión de gas 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 (cuantifica) entre 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 medición 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 siguiente instante. Por lo tanto, un aumento en la entropía significa un mayor número de microestados para el estado final que para el estado inicial y, por lo tanto, más arreglos 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.

El movimiento continuo y las colisiones moleculares visualizadas como bolas que rebotan sopladas por el aire como se usan en una lotería pueden llevar a mostrar las posibilidades de muchas distribuciones de Boltzmann y cambiar continuamente la "distribución del instante", 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 sucesos físicos espontáneos cotidianos y las reacciones químicas se describen como que involucran algún tipo de flujo de energía desde la localización o concentración hasta la dispersión en un espacio más grande, siempre a un estado con un mayor número de microestados.

Este enfoque proporciona una buena base para comprender el enfoque convencional, excepto en casos muy complejos donde la relación cualitativa de la dispersión de energía con el cambio de entropía puede estar tan inextricablemente oscurecida que es discutible. 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 debe a la propagación literal de la energía motriz de cada sustancia en el volumen final combinado mayor. Las moléculas energéticas de cada componente se separan más entre sí de lo que estarían en el estado puro, cuando en el estado puro solo chocan con moléculas adyacentes idénticas, lo que lleva a un aumento en su número de microestados accesibles.

Adopción actual

Se han adoptado variantes del enfoque de dispersión de energía en varios textos de química de pregrado, principalmente en los Estados Unidos. Un texto respetado dice:

El concepto del número de microestados hace cuantitativos los conceptos cualitativos mal definidos de 'desorden' y la 'dispersión' de materia y energía que se utilizan ampliamente para introducir el concepto de entropía: corresponde una distribución más 'desordenada' de energía y materia. a un mayor número de micro-estados asociados con la misma energía total. - Atkins y de Paula (2006)

Historia

El concepto de "disipación de energía" se utilizó en el artículo de Lord Kelvin de 1852 "Sobre una tendencia universal en la naturaleza a la disipación de la energía mecánica". Distinguió entre dos tipos o "depósitos" de energía mecánica: "estática" y "dinámica". Discutió cómo estos dos tipos de energía pueden cambiar de una forma a otra durante una transformación termodinámica. Cuando el calor es creado por 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.

Utilizando la palabra "propagación", uno de los primeros defensores del concepto de dispersión de energía fue Edward Armand Guggenheim . A mediados de la década de 1950, con el desarrollo de la teoría cuántica , los investigadores comenzaron a hablar sobre los cambios de entropía en términos de la mezcla o "propagación" de la energía total de cada constituyente de un sistema sobre sus niveles particulares de energía cuantificada, como los reactivos. y productos de una reacción química .

En 1984, el químico físico de Oxford Peter Atkins, en un libro La segunda ley , escrito para laicos, 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 atómicas y colisiones. Atkins escribió: "cada átomo transporta energía cinética , y la dispersión de los átomos dispersa la energía ... la ecuación de Boltzmann, por lo tanto, captura el aspecto de la dispersión: la dispersión de las entidades que transportan la energía".

En 1997, John Wrigglesworth describió las distribuciones espaciales de partículas representadas por distribuciones de estados de energía. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, los sistemas aislados tenderán a redistribuir la energía del sistema en una disposición más probable o una distribución de energía de máxima probabilidad, es decir, de la de estar concentrada a la de estar dispersa. En virtud de la Primera ley de la termodinámica , la energía total no cambia; en cambio, la energía tiende a dispersarse sobre el espacio al que tiene acceso. 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. Otros autores que definen la entropía de una manera que encarna la dispersión de energía son Cecie Starr y Andrew Scott.

En un artículo de 1996, el físico Harvey S. Leff expuso lo que llamó "la difusión y el intercambio de energía". Otro físico, Daniel F. Styer , publicó un artículo en 2000 que mostraba que la "entropía como desorden" era inadecuada. En un artículo publicado en el Journal of Chemical Education de 2002 , Frank L. Lambert argumentó que describir la entropía como "desorden" es confuso y debe abandonarse. Continuó desarrollando recursos detallados para instructores 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.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

Textos que utilizan el enfoque de dispersión de energía

  • Atkins, PW, Química física para las ciencias biológicas . Oxford University Press, ISBN   0-19-928095-9 ; WH Freeman, ISBN   0-7167-8628-1
  • Benjamin Gal-Or, "Cosmología, Física y Filosofía", Springer-Verlag, Nueva York, 1981, 1983, 1987 ISBN   0-387-90581-2
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enlaces externos