Antes de adentrarte en el concepto de entropía, deberías tener algunas ideas claras.

Ver: Conceptos básicos de Termodinámica.

Interpretación visual para situarnos

El caso es que tenemos un sistema termodinámico, que es una cosa que estamos analizando.

Lo que sea.

Ese sistema termodinámico puede ser cualquier cosa, pero sea lo que sea está compuesto por átomos y moléculas y partículas varias de varios tipos.

Vamos a decir partículas y energía en general.

Esas partículas se están moviendo constantemente.

Naturalmente no se mueven igual las partículas internas de un litro de oxígeno que las partículas de un trozo de chuleta de cerdo o un hielo.

Porque están constituidas de distinta forma.

Pero en todos los casos, las partículas tienen una posición y una velocidad.

Y como consecuencia a la velocidad, van cambiando de posición.

¿Qué quiere decir eso?

Pues que la cosa, el sistema termodinámico, aunque a simple vista parezca que no está cambiando, está cambiando todo el tiempo. Sean cambios ínfimos e imperceptibles o no, pero está cambiando.

  • En una botella con gas, las partículas del gas están bailando a lo largo y ancho de toda la botella, a altas velocidades.
  • En una barra de pan, las partículas que lo componen están vibrando con mucha energía.
  • En una llama de fuego, hay una fiesta de enlaces químicos ultra ardiente.

Cada cosa que hay en la realidad, es una fiesta de vibraciones y movimiento de las partículas que la componen.

Supongamos que tenemos una cámara inteligente del futuro que se llama micro-fotografadora.

Supongamos que con esta cámara micro-fotografadora podemos hacer microfotos de la disposición microscópica de todas las micro-partículas de la cosa termodinámica.

Si tomásemos una microfoto en cada instante de tiempo, tendríamos un montón de microfotos distintas de la misma cosa.

De su organización microscópica.

Las partículas estarían en un sitio distinto en cada microfoto.

  • Unas aquí y otrás allá.
  • Unas muy rápidas y otras menos.
  • Otras ahí.
  • Ahora en una esquina y luego en otra.
  • Esta que estaba y ya no está.

Hay muchísimas miles de millones de formas distintas en que se podrían agrupar estas partículas.

O lo que es lo mismo,

Hay muchísimas miles de millones de microfotos distintas que podríamos tomar de la misma cosa.

Muchísimas miles de millones. Pero no infinitas.

Dependiendo de las condiciones del sistema termodinámico, serán más o menos.

Pero nunca infinitas.

Un trocito de hielo tiene menos espacio y menos libertad para que sus partículas se organicen, hay relativamente muy pocas microfotos que pueden tomarse.

Relativamente pocas en relación a una habitación enorme llena de gas que, por el contrario, tiene mucha más libertad para que sus partículas se organicen a lo largo de toda la enorme habitación.

Un motorista saltando a tope por los vientos de la vida, está formado por un montón de partículas de distinto tipo, que al fin y al cabo son bastante libres para posicionarse de millones de trillones de formas distintas.

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Bien.

¿Qué es la entropía?

Pues eso.

El número de microfotos distintas que pueden sacarse de un sistema termodinámico.

Para que te sitúes.

  • Una habitación llena de muchos gases tiene mucha entropía - muchas microfotos distintas posibles.
  • Un trozo de queso fresco tiene menos entropía - menos microfotos distintas posibles.
  • Un poquito de agua líquida, mucho menos.
  • Un poquito de hielo, mucho menos.

Cuando calentamos el poquito de agua y esta al cambiar de fase se hace vapor, aumenta su entropía, porque sus partículas se liberan y tienen más posibilidad de estar organizadas a su antojo.

Hay más microfotos posibles en 1 ml de gas agua (vapor) que en 1 ml de agua sólida (hielo).

Esas microfotos de las que hablo no son una tontería. Existen y en realidad se llaman microestados. Yo te digo microfotos para que sea un poco más visual la cosa.

Hay más entropía cuando hay más libertad de organización microscópica.

La entropía mide la libertad microscópica que tiene un sistema termodinámico.

¿Para qué sirve la entropía?

La entropía es una medida.

Una medida para ver qué le pasa a nuestro sistema termodinámico.

Para medir su libertad microscópica, hemos dicho.

Libertad en el sentido de que tiene más posibilidades de organizar las partículas que lo componen.

Veremos que es un concepto fundamental para comprender en qué sentido ocurren los procesos de la realidad.

¿La entropía mide el desorden?

Pues depende de lo que se considere desorden.

¿Qué es el desorden?

Lo que para mi es desorden quizás para otra persona es algo normal.

Está aparentemente más desordenado un vaso lleno de hielo picado a trozos irregulares que un vaso lleno de agua líquida tranquila, ¿verdad?

Pues hay más entropía en el vaso de agua líquida tranquila.

Básicamente porque está a mayor temperatura.

Es un estado energético de mayor vibración.

Lo que para mi es desorden puede ser para la realidad el orden absoluto máximo.

  • La entropía no mide el desorden.
  • La entropía no es una tontería imposible de entender.

Bien, ahora vamos a comprender su definición formal.

Origen termodinámico de la entropía

Ahora que tienes una visión global de lo que representa este concepto tan ruvubulubumbulero, vamos a ver de dónde viene.

Máquinas térmicas imposibles

No es posible hacer máquinas térmicas que conviertan todo el calor en trabajo.

Siempre hay que aportar un trabajo para que la máquina funcione.

También vimos que en una máquina frigorífica no es posible que el calor se vaya de la parte fría a la parte caliente así por cuenta propia.

Había mucha gente pensando, y un señor dió con la tecla.

Este es el tito Rudolf Clausius, un artista de la vida.

¿Qué pasa con esta cosa?

El tito Clausius se percató de que en todos los procesos reales irreversibles, hay una pequeña parte de flujo de calor que se va disipando desesperadamente a través de las fronteras del sistema.

En un principio lo llamaba energía perdida, porque bueno, era una cosa totalmente involuntaria para él eso de que la energía se escape.

Cuando Carnot ideó su ciclo de Carnot, estaba intentando buscar la máquina térmica con más rendimiento que pueden permitir las leyes de la naturaleza.

Se demostró que el cociente entre calor y temperatura permanecía constante al inicio y al final del ciclo.

$$\dfrac{Q_{absorbido}}{T_{caliente}}=\dfrac{Q_{cedido}}{T_{fria}}$$

Y eso no es moco de pavo, significa que hay una entidad que está permaneciendo constante.

Clausius decidió llamarlo entropía.

Y la definió como:

entropia-definicion

Donde int. rev. quiere decir que estamos hablando de un proceso internamente reversible.

Si el proceso fuese isotermo, como en el caso del ciclo de Carnot, lo vemos más claro.

entropia-isotermo

Pero la idea es que el señor Clausius definió esta función no porque sí, sino porque observó que ese valor es independiente del camino.

Es decir, que esta magnitud super mega entropía es una función de estado.

También se dió cuenta de que al hacer la integral en un ciclo termodinámico, el valor de esta definición siempre es:

  • Negativo cuando el proceso es real irreversible.
  • Cero cuando el proceso es ideal reversible.

Recordar: Diferencia entre proceso reversible e irreversible.

Y a esto se le conoce como la desigualdad de Clausius.

desigualdad-clausius

Para el ciclo de Carnot (ciclo ideal de rendimiento máximo) esta variación de entropía es cero.

En cualquier motor real, como el motor de Stirling, esto no es así.

La entropía aumenta.

Esto es clave en la definición de un nuevo principio de la termodinámica, que veremos en el capítulo siguiente.