Cos'è l'entropia? | Jeff Phillips

Guarda la lezione completa: http://ed.ted.com/lessons/what-is-entropy-jeff-phillips

In chimica e fisica, esiste un concetto fondamentale che aiuta a capire perché i processi fisici vanno in una direzione e non nell'altra: perché il ghiaccio si scioglie, perché la panna si mescola al caffè, perché l'aria esce da una gomma bucata. Stiamo parlando dell'entropia, un concetto non facile capire fino in fondo. Jeff Philipps ci offre un assaggio dell'entropia.

Lezione di Jeff Phillips, animazione di Provincia Studio.

Esiste un concetto fondamentale
in chimica e fisica,

che spiega perché i processi fisici
vanno in un senso e non nell'altro:

perché il ghiaccio si scioglie,

perché la panna si mescola al caffé,

perché l'aria esce da una gomma bucata.

È l'entropia,
non è facile capirla a fondo.

L'entropia è spesso descritta
come una misura del disordine.

È una descrizione utile,
ma purtroppo ingannevole.

Per esempio, cos'è più disordinato:

un bicchiere di cubetti di ghiaccio,
o uno di acqua a temperatura ambiente?

Molti direbbero il ghiaccio,

ma in realtà è quello
con l'entropia più bassa.

C'è però un altro modo di vedere
l'entropia, attraverso la probabilità.

È un po' più astruso da capire,
ma una volta che ce l'avrete fatta

avrete una comprensione più chiara
dell'entropia.

Consideriamo due piccoli solidi,

ognuno composto da sei legami atomici.

In questo modello, l'energia di un solido
è custodita nei legami.

Questi li possiamo vedere
come dei contenitori

con dentro invisibili unità di energia,
i cosiddetti "quanti".

Più energia ha un solido,
più è caldo.

Vediamo che ci sono molti modi
in cui l'energia può essere distribuita

nei due solidi,

mantenendo la stessa energia totale
in ognuno.

Ognuna di queste possibilità
è chiamata microstato.

Se vogliamo sei quanti di energia
nel solido A e due nel solido B

ci sono 9702 microstati possibili.

Ovviamente, ci sono altri modi
per distribuire otto quanti di energia.

Per esempio, tutti i quanti
potrebbero essere in A e nessuno in B,

oppure metà in A e metà in B.

Se assumiamo che le probabilità di avere
ogni microstato siano uguali,

vediamo che alcune configurazioni
di energia

hanno più probabilità di capitare
delle altre.

Questo succede perché
hanno un numero maggiore di microstati.

L'entropia è una misura diretta di ogni
probabilità di configurazione di energia.

Quello che vediamo è che
la configurazione

in cui l'energia è più dispersa
tra i due solidi

ha l'entropia più alta.

Quindi, in generale,

l'entropia può essere pensata come
una misura della dispersione di energia

Un'entropia bassa vuol dire
che l'energia è concentrata.

Un'entropia elevata,
che è ben distribuita.

Per capire come mai l'entropia
è utile a spiegare processi spontanei,

come oggetti caldi che si raffreddano,

dobbiamo guardare il sistema dinamico
in cui l'energia si muove.

In realtà, l'energia
non rimane in un punto

ma continua a muoversi
tra legami adiacenti.

Dato che l'energia si muove,

la configurazione energetica può cambiare.

Per via della distribuzione dei microstati

c'è un 21% di probabilità che il sistema
andrà in una configurazione

in cui l'energia è
massimamente distribuita,

un 13% che tornerà al punto iniziale

e un 8% che A guadagnerà energia.

Di nuovo, dato che ci sono più modi
per avere dispersione di energia

ed entropia elevata,
e meno per avere energia concentrata,

l'energia tende a disperdersi.

Per questo, se mettiamo un oggetto caldo
accanto a uno freddo

quello freddo si riscalda
e quello caldo si raffredda.

Però, nel nostro esempio,

c'è comunque un 8% di probabilità
che l'oggetto caldo si riscaldi.

Perché nella vita reale non succede mai?

Dipende tutto dalle dimensioni del sistema

I nostri solidi avevano solo
sei legami a testa.

Ingrandiamoli fino ad arrivare
a 6000 legami e 8000 unità di energia

e partiamo di nuovo
con tre quarti dell'energia in A

e un quarto in B.

Adesso, la probabilità che A
acquisisca spontaneamente più energia

è questo numero piccolissimo.

Gli oggetti quotidiani hanno
un numero di particelle ancora maggiore.

La probabilità che, nel mondo reale,
un oggetto caldo diventi più caldo

è così infinitamente piccola

che non succede mai.

Il ghiaccio si scioglie,

la panna si mescola,

le gomme si sgonfiano,

perché questi stati hanno
più energia dispersa che gli originali.

Non c'è nessuna forza misteriosa
che aumenta l'entropia del sistema.

Un'entropia più elevata
è statisticamente più probabile.

Per questo l'entropia è stata
soprannominata la "freccia del tempo".

Se l'energia può disperdersi, lo farà.