What is entropy? - Jeff Phillips

Cos'è l'entropia? | Jeff Phillips

Traduttore: Viviana Tenga Revisore: Cristina Bufi-Pöcksteiner

There's a concept that's crucial to chemistry and physics.

Esiste un concetto fondamentale in chimica e fisica,

It helps explain why physical processes go one way and not the other:

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

why ice melts,

perché il ghiaccio si scioglie,

why cream spreads in coffee,

perché la panna si mescola al caffé,

why air leaks out of a punctured tire.

perché l'aria esce da una gomma bucata.

It's entropy, and it's notoriously difficult to wrap our heads around.

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

Entropy is often described as a measurement of disorder.

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

That's a convenient image, but it's unfortunately misleading.

È una descrizione utile, ma purtroppo ingannevole.

For example, which is more disordered -

Per esempio, cos'è più disordinato:

a cup of crushed ice or a glass of room temperature water?

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

Most people would say the ice,

Molti direbbero il ghiaccio,

but that actually has lower entropy.

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

So here's another way of thinking about it through probability.

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

This may be trickier to understand, but take the time to internalize it

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

and you'll have a much better understanding of entropy.

avrete una comprensione più chiara dell'entropia.

Consider two small solids

Consideriamo due piccoli solidi,

which are comprised of six atomic bonds each.

ognuno composto da sei legami atomici.

In this model, the energy in each solid is stored in the bonds.

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

Those can be thought of as simple containers,

Questi li possiamo vedere come dei contenitori

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

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

The more energy a solid has, the hotter it is.

Più energia ha un solido, più è caldo.

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed

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

in the two solids

nei due solidi,

and still have the same total energy in each.

mantenendo la stessa energia totale in ognuno.

Each of these options is called a microstate.

Ognuna di queste possibilità è chiamata microstato.

For six quanta of energy in Solid A and two in Solid B,

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

there are 9,702 microstates.

ci sono 9702 microstati possibili.

Of course, there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

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

For example, all of the energy could be in Solid A and none in B,

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

or half in A and half in B.

oppure metà in A e metà in B.

If we assume that each microstate is equally likely,

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

we can see that some of the energy configurations

vediamo che alcune configurazioni di energia

have a higher probability of occurring than others.

hanno più probabilità di capitare delle altre.

That's due to their greater number of microstates.

Questo succede perché hanno un numero maggiore di microstati.

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

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

What we see is that the energy configuration

Quello che vediamo è che la configurazione

in which the energy is most spread out between the solids

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

has the highest entropy.

ha l'entropia più alta.

So in a general sense,

Quindi, in generale,

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

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

Low entropy means the energy is concentrated.

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

High entropy means it's spread out.

Un'entropia elevata, che è ben distribuita.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

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

like hot objects cooling down,

come oggetti caldi che si raffreddano,

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

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

In reality, energy doesn't stay put.

In realtà, l'energia non rimane in un punto

It continuously moves between neighboring bonds.

ma continua a muoversi tra legami adiacenti.

As the energy moves,

Dato che l'energia si muove,

the energy configuration can change.

la configurazione energetica può cambiare.

Because of the distribution of microstates,

Per via della distribuzione dei microstati

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration

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

in which the energy is maximally spread out,

in cui l'energia è massimamente distribuita,

there's a 13% chance that it will return to its starting point,

un 13% che tornerà al punto iniziale

and an 8% chance that A will actually gain energy.

e un 8% che A guadagnerà energia.

Again, we see that because there are more ways to have dispersed energy

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

and high entropy than concentrated energy,

ed entropia elevata, e meno per avere energia concentrata,

the energy tends to spread out.

l'energia tende a disperdersi.

That's why if you put a hot object next to a cold one,

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

the cold one will warm up and the hot one will cool down.

quello freddo si riscalda e quello caldo si raffredda.

But even in that example,

Però, nel nostro esempio,

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

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

Why doesn't this ever happen in real life?

Perché nella vita reale non succede mai?

It's all about the size of the system.

Dipende tutto dalle dimensioni del sistema

Our hypothetical solids only had six bonds each.

I nostri solidi avevano solo sei legami a testa.

Let's scale the solids up to 6,000 bonds and 8,000 units of energy,

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

and again start the system with three-quarters of the energy in A

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

and one-quarter in B.

e un quarto in B.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

Adesso, la probabilità che A acquisisca spontaneamente più energia

is this tiny number.

è questo numero piccolissimo.

Familiar, everyday objects have many, many times more particles than this.

Gli oggetti quotidiani hanno un numero di particelle ancora maggiore.

The chance of a hot object in the real world getting hotter

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

is so absurdly small,

è così infinitamente piccola

it just never happens.

che non succede mai.

Ice melts,

Il ghiaccio si scioglie,

cream mixes in,

la panna si mescola,

and tires deflate

le gomme si sgonfiano,

because these states have more dispersed energy than the originals.

perché questi stati hanno più energia dispersa che gli originali.

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy.

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

It's just that higher entropy is always statistically more likely.

Un'entropia più elevata è statisticamente più probabile.

That's why entropy has been called time's arrow.

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

If energy has the opportunity to spread out, it will.

Se l'energia può disperdersi, lo farà.