entropia e probabilità termodinamica

Entropia


il sistema evolve nel tempo verso lo stato di massima Entropia

Dunque Clausius (siamo nel 1868), dopo 15 anni di analisi dei fenomeni relativi agli scambi termici (il calore spontaneamente fluisce dai corpi caldi ai corpi freddi), alle trasformazioni di calore in lavoro e viceversa (il lavoro spontaneamente si trasforma in calore, mentre è impossibile trasformare integralmente il calore prodotto da un'unica sorgente calda in lavoro) e alle macchine termiche (il rendimento di una macchina termica è sempre minore di 1), era giunto alla formulazione del tutto generale:
"per una qualunque trasformazione che avviene in un sistema isolato, l'entropia dello stato finale non può mai essere inferiore a quella dello stato iniziale" .
Ciò significa che, al trascorrere del tempo, l'entropia di un sistema isolato non può mai diminuire, può solo aumentare. Si può riconoscere il "prima" dal "dopo" di un sistema, per il fatto che "dopo" l'entropia del sistema sarà più alta di "prima": in questo senso l'entropia è una "freccia del tempo".
(Attenzione: si parla di sistemi isolati; se un sistema non è isolato la sua entropia può anche diminuire, ma in tal caso l'entropia dell'ambiente esterno dovrà aumentare più di quanto non sia diminuita quella del sistema). In conclusione: i sistemi fisici evolvono verso gli stati di massima entropia; se l'entropia di un sistema diminuisce vuol dire che il sistema non è isolato.
Probabilità
termodinamica


il sistema evolve nel tempo verso lo stato di massima probabilità termodinamica

Consideriamo il nostro "solito" sistema di 6 particelle. (vedi ). Possiamo fare una "simulazione" del comportamento del sistema, per vedere come evolve nel tempo partendo dallo stato in cui tutte le particelle si trovano, inizialmente, nel settore sinistro.
Ci servono 6 monete (che rappresentano le particelle: ma vanno benissimo anche sei cerchietti di carta numerati da 1 a 6), 1 dado e, "naturalmente" carta e penna.
Disegnata una scatola divisa in due settori, sistemiamo le sei monete tutte a sinistra: bene, all'istante t=0 la configurazione è dunque (N1=6,N2=0). Lanciamo il dado .. ed esce 3 (non ci crederai, ma mentre scrivo faccio esattamente questo): sposto la moneta numero 3 dal settore sinistro a quello destro. Bene: all'istante t=1 la configurazione del sistema è (N1=5,N2=1). Lancio ancora il dado .. esce 2 .. sposto la moneta numero 2 da sinistra a destra .. la configurazione diventa (N1=4,N2=2) all'istante t=2. Lancio il dado .. esce 3 .. sposto la moneta numero 3 da destra (dove stava) a sinistra .. la configurazione del sistema a t=3 diventa (N1=5,N2=1) .. etc.etc..
Continuando così si osserva che il sistema, pur fluttuando, tende verso lo stato (N1=3,N2=3), e una volta avvicinatosi a tale stato, se ne discosta molto "raramente". Se usassimo 20 monete anzichè 6, questo scostamento sarebbe ancora più esiguo, se ne usassimo (10 elevato 23), sarebbe praticamente irrilevante. Insomma: il sistema evolve nel tempo verso lo stato di massima probabilità termodinamica.
Dunque: al trascorrere del tempo i sistemi fisici evolvono verso gli stati di massima entropia, stati che sono anche di massima probabilità termodinamica.


Boltzmann
relazione di Boltzmann