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.