Imagen: La tumba de Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) en Zentralfriedhof, Viena, con su fórmula de busto y entropía.
La ecuación de la entropía fue desarrollada por el físico austriaco Ludwig Boltzmann. La entropía (S) es un concepto poderoso que mide el desorden o la incertidumbre de un sistema físico.
La ecuación de entropía de Boltzmann es esencial para comprender la relación entre la entropía y las propiedades termodinámicas de un sistema, como la temperatura, la presión y la energía. Desempeña un papel crucial en el estudio de los procesos de equilibrio termodinámico, la evolución de los sistemas físicos y en la interpretación estadística de las leyes de la termodinámica.
La ecuación de entropía de Boltzmann generalmente se expresa de la siguiente manera:
S = k ln(W)
- S es la entropía del sistema.
- k es la constante de Boltzmann, una constante fundamental en física que relaciona la energía térmica con la temperatura (k ≈ 1,38 x 10^-23 J/K).
- ln representa la función logaritmo natural (o logaritmo natural).
- W es el número de microestados accesibles del sistema a un determinado nivel de energía.
Esta ecuación muestra que la entropía es proporcional al logaritmo del número de posibles microestados del sistema. Se dice que un sistema tiene alta entropía si puede estar en un gran número de microestados desordenados, mientras que un sistema con pocos microestados accesibles tendrá menor entropía (más orden).
La entropía es un concepto fundamental utilizado en varios campos de la ciencia, incluida la termodinámica, la mecánica estadística, la teoría de la información, la informática, la ciencia de la complejidad y otros campos. La definición de entropía puede variar ligeramente según el contexto, pero comparte ideas comunes en estas áreas.
En termodinámica, la entropía es una medida del desorden o grado de agitación molecular en un sistema físico. Está relacionado con la distribución de energía en el sistema y su capacidad para realizar trabajo. La entropía es una cantidad extensiva, lo que significa que depende de la cantidad de materia en el sistema. Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía de un sistema aislado no puede disminuir con el tiempo en un proceso natural.
En mecánica estadística, la entropía se asocia con la probabilidad microscópica de los estados accesibles de un sistema. Está relacionado con la distribución de partículas, moléculas o configuraciones en el espacio de fases del sistema. La entropía de Boltzmann se define como el logaritmo del número de microestados accesibles del sistema a un determinado nivel de energía.
En la teoría de la información, la entropía se utiliza para cuantificar la incertidumbre o imprevisibilidad de una variable aleatoria o una fuente de información. Cuanto más impredecible es una fuente, mayor es su entropía. La entropía de Shannon es la medida más utilizada en la teoría de la información.
De cualquier manera, la entropía es una medida de la cantidad de información, desorden, diversidad o incertidumbre en un sistema.
Sin embargo, en el universo vemos estructuras cada vez más ordenadas que se forman a partir de procesos inicialmente menos organizados. Esto parece ir en contra de la idea intuitiva de que la entropía, como medida del desorden, siempre debe aumentar, como sugiere la segunda ley de la termodinámica.
Sin embargo, el aumento del orden local (como la formación de galaxias y estrellas) no implica una violación de la segunda ley de la termodinámica. Este principio se refiere a todo el sistema y establece que la entropía total de un sistema aislado, el Universo, no puede disminuir con el tiempo. Cuando observamos la formación de galaxias y estrellas, debemos considerar el sistema completo, incluida la energía y los procesos a gran escala involucrados.
Teoría del muro de Planck