La entropia mide el desorden de un sistema y nos dice por que el tiempo fluye en una sola direccion. Es la unica ley de la fisica que distingue pasado de futuro.
La entropia es una medida del numero de formas microscopicas (microestados) en que un sistema puede organizarse manteniendo las mismas propiedades macroscopicas observables (macroestado).
Ludwig Boltzmann descubrio la conexion entre el mundo microscopico y el macroscopico con una de las ecuaciones mas profundas de la fisica:
Esta formula esta grabada en la tumba de Boltzmann en Viena. Conecta la mecanica estadistica con la termodinamica clasica.
En un sistema aislado, la entropia nunca disminuye. Solo puede aumentar o, en el equilibrio, permanecer constante:
Esta ley explica por que:
Imagina tu habitacion. Hay UNA forma de tenerla "perfectamente ordenada" (cada objeto en su lugar exacto). Pero hay MILLONES de formas de tenerla "desordenada". Si mueves objetos al azar, es muchisimo mas probable llegar a un estado desordenado que a uno ordenado. La entropia mide precisamente esta diferencia en probabilidades.
Comienza con el escenario "Expansion Libre". Todas las particulas estan confinadas en la mitad izquierda.
Selecciona "Mezcla de Gases". Particulas rojas a la izquierda, azules a la derecha.
En "Equilibrio Termico", particulas calientes (rapidas) a la izquierda y frias (lentas) a la derecha.
El escenario "Demonio de Maxwell" ilustra un famoso experimento mental de 1867.
Observa el histograma de velocidades en cualquier escenario.
Claude Shannon definio la entropia de informacion usando la misma formula que Boltzmann. La entropia mide la incertidumbre o el contenido de informacion de un mensaje.
Los seres vivos mantienen baja entropia interna exportando entropia al ambiente. Schrodinger lo llamo "entropia negativa". La vida es un sistema que lucha localmente contra la Segunda Ley.
Si el universo es un sistema aislado, su entropia siempre aumenta. Eventualmente alcanzara el equilibrio termico maximo: la "muerte termica", un estado sin estructura ni energia utilizable.
La Segunda Ley es la unica ley fundamental que distingue pasado de futuro. Todas las demas ecuaciones de la fisica son simetricas en el tiempo. La entropia define la direccion del tiempo.
Ningun motor termico puede ser 100% eficiente. El limite de Carnot eta = 1 - T_frio/T_caliente viene directamente de la Segunda Ley. La entropia es el enemigo de la eficiencia.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) desarrollo la mecanica estadistica y la interpretacion molecular de la entropia. Sin embargo, en su epoca muchos fisicos rechazaban la existencia de los atomos. Ernst Mach y otros positivistas atacaron duramente su trabajo. Deprimido y sintiendose incomprendido, Boltzmann se suicido en 1906. Ironicamente, solo unos anos despues Einstein demostro la existencia de los atomos mediante el movimiento Browniano, vindicando completamente las ideas de Boltzmann.
Con 100-300 particulas, las fluctuaciones son significativas. En un gas real (10^23 moleculas), las fluctuaciones son imperceptibles y la Segunda Ley es efectivamente absoluta.
Las colisiones en la simulacion son elasticas e ideales. Las moleculas reales tienen fuerzas de interaccion mas complejas (van der Waals, enlaces de hidrogeno, etc.).
La simulacion es 2D, pero la distribucion de Maxwell-Boltzmann mostrada es la correcta para 2D. En 3D la formula es ligeramente diferente.
"Si las leyes de la fisica son reversibles en el tiempo, ¿de donde surge la irreversibilidad que observamos en la vida cotidiana? ¿Es la Segunda Ley fundamental o emergente?"