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29 Ottobre 2022
15:30

Cos’è l’entropia e come regola l’universo intero

L'entropia misura lo stato di un sistema in termini di calore e temperatura in un determinato momento ed è un indicatore temporale dell'evoluzione del sistema.

A cura di Elena Buratin
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Cos’è l’entropia e come regola l’universo intero
entropia

L'entropia è una grandezza fisica che si incontra in termodinamica, ovvero quella scienza che studia gli scambi di materia ed energia. Misura quanto un sistema sia lontano dallo stato di equilibrio ed è un indicatore dell'evoluzione del sistema nel tempo. Il suo valore è dato dal rapporto fra il calore scambiato durante una trasformazione e la temperatura a cui avviene.
Tale valore nel complesso è positivo, aumenta sempre e tende ad un valore massimo. Spesso sentiamo dire che corrisponde al grado di disordine del sistema, ma cosa significa esattamente?

Secondo principio della termodinamica

Il secondo principio della termodinamica ci dice che in natura, finché c'è una differenza di temperatura, c'è trasferimento di calore che spontaneamente va dalla sorgente calda a quella fredda. Un corpo caldo ha una temperatura superiore, ovvero le molecole che lo compongono viaggiano a velocità maggiore e si agitano di più. Quando tutte le molecole raggiungono la stessa temperatura si parla di equilibrio termico, il passaggio di calore si arresta e tutte le molecole della stessa specie viaggiano in media alla stessa velocità.

Se si vuole far circolare del calore controcorrente, ovvero da un oggetto freddo ad uno caldo, si deve compiere un lavoro esterno, come avviene nei nostri frigoriferi di casa, e spendere energia affinché questo processo avvenga. Ma perché avviene naturalmente sempre dal caldo al freddo, e non viceversa?

Questione di probabilità

È tutta questione di probabilità. Un sistema tende ad avvicinarsi alla situazione più probabile, senza alterare le proprie proprietà. Proviamo a fare un esempio semplice.
Immaginiamo di avere quattro molecole che occupano tutte lo stesso lato all'interno di una scatola. Chiamiamole per simpatia Anna, Bruno, Caterina e Diego. Col tempo queste molecole si sposteranno e avremo una bassa probabilità di ritrovare tutte e quattro le molecola nello stesso lato. La probabilità di trovare due molecole sul primo lato e due su quello opposto sarà superiore, in quanto vi sono diverse combinazioni che donano questa soluzione. Potremo infatti trovare Anna e Bruno sul primo lato, oppure Anna e Caterina, oppure Anna e Diego, oppure Bruno e Caterina, così all'infinito.

La situazione più probabile si raggiunge quando tutte le molecole sono distribuite uniformemente, considerando tutte le possibili combinazioni. L'entropia descrive quindi l'organizzazione del sistema: quando le molecole sono in equilibrio, il mescolamento è massimo. Ecco, l'entropia aumenta e si parla di massimo grado di disordine del sistema.

entropia molecole

Altamente improbabile ma non impossibile

Un sistema reale, però, non è composto solo da quattro molecole. È composto da miliardi di miliardi di miliardi di molecole. La probabilità di trovare il sistema "mescolato" ed equilibrato aumenta esponenzialmente, seguendo le stessi leggi probabilistiche. Sarà dunque difficile e molto poco probabile (ma non impossibile!) trovare tutte le molecole della nostra stanza spostate su di un lato.

Non è impossibile, dunque, che il calore passi da un corpo freddo ad uno caldo, ma altamente improbabile (parliamo di una probabilità di svariati ordini di grandezza inferiore) e, dunque, possiamo dire che non accadrà mai. L'energia tende a spostarsi da una distribuzione più concentrata ad una più diffusa. Con l'avanzare del tempo, il grado di mescolamento, e dunque l'entropia complessiva, cresce sempre fino a raggiungere un valore massimo, di equilibrio del sistema.

Possibili contraddizioni

In natura sembrano esserci delle contraddizioni, ma solo apparenti. Ad esempio: perché il nostro universo non tende a diventare omogeneo, se inizialmente era formato da una nube di gas quasi uniforme?
L'universo include galassie e pianeti a causa della gravità, che tende ad aggregare la materia. Col passare del tempo, infatti, piccole variazioni di densità hanno generato una configurazione meno uniforme, ma più probabile, e dunque con maggiore entropia e senza violare il secondo principio della termodinamica.

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