INTERPRETAZIONE MOLECOLARE DELL'ENTROPIA

INTERPRETAZIONE MOLECOLARE DELL'ENTROPIA.

La termodinamica non formula nessuna ipotesi sulla struttura della materia; la comprensione delle funzioni termodinamiche può essere però approfondita se si tenta di interpretarle in termini di proprietà molecolari.

Vi sono due modi per descrivere lo stato di un sistema termodinamico:

la descrizione macroscopica, fornita dai valori delle funzioni di stato come P, V e T;

la descrizione microscopica che dovrebbe dare la posizione e la velocità di ogni atomo del sistema. La descrizione completamente microscopica non viene mai usata per i sistemi termodinamici, poiché solo per registrare le coordinate di posizione e le componenti di velocità di una mole di una sostanza monoatomica occorrerebbe un pila di carta alta 10 anni luce. Tanto più che questa singola descrizione microscopica sarebbe valida solo per un istante, perché le posizioni e le velocità degli atomi sono sempre in rapida variazione.

Si osserva che se un sistema termodinamico è in uno stato di equilibrio macroscopico, il suo stato microscopico cambia continuamente a velocità enorme. Nonostante questa attività molecolare, le proprietà di uno stato macroscopico rimangono costanti. Ciò significa che vi sono molti stati microscopici compatibili con ogni stato macroscopico.

L'entropia è una misura del numero di stati microscopici collegati ad un particolare stato macroscopico

Vi è un solo stato microscopico che corrisponde allo stato macroscopico ordinato. D'altra parte vi sono molti stati microscopici collegati allo stato macroscopico disordinato. Poiché l'entropia dà una misura ed aumenta con il numero di stati microscopici del sistema, si può dire che lo stato di disordine ha un'entropia più alta dello stato ordinato. In effetti l'entropia ha una tendenza naturale ad aumentare perché questo corrisponde alla evoluzione dei sistemi da condizioni di bassa probabilità verso stati di probabilità maggiore.

È così possibile comprendere perché un gas si espande spontaneamente rispetto al vuoto. In un volume maggiore, ciascuna molecola ha più posizioni disponibili che non in un volume più piccolo. Di conseguenza, nel volume maggiore, il gas ha più stati microscopici ad esso collegati di quanti non ne abbia nel volume più piccolo. Si trova che il gas riempie tutto il recipiente perché questa è la sua condizione più probabile.

Tuttavia non si è ancora chiarito perché gli stati più disordinati sono più probabili di quelli ordinati. Ebbene un sistema disordinato è quello di cui si hanno scarse informazioni circa l'esatto stato microscopico. La ragione per cui manca questa conoscenza dettagliata sta nel fatto che il sistema ha molti stati microscopici possibili, e il meglio che si può supporre è che esso sia, in ogni istante, in uno qualunque tra questi. Un sistema disordinato è quindi un sistema che ha un numero relativamente grande di stati microscopici possibili, e questa è la ragione per cui uno stato disordinato è più probabile di uno stato ordinato.