Entropia

L’entropia (indicata con $S$) è una grandezza termodinamica estensiva fondamentale che quantifica il grado di disordine microscopico di un sistema e l’irreversibilità delle sue trasformazioni. Nel Sistema Internazionale si misura in Joule su Kelvin ($\text{J/K}$).

Nella termodinamica classica (secondo la definizione di Clausius), la variazione infinitesima di entropia di un sistema che scambia calore $Q$ in modo reversibile alla temperatura assoluta $T$ è data da:

$$dS = \frac{\delta Q_{rev}}{T}$$

Il Secondo Principio della Termodinamica ruota attorno all’entropia: afferma che in qualsiasi processo spontaneo (irreversibile) di un sistema isolato, l’entropia totale del sistema aumenta sempre. Se il processo è reversibile, l’entropia rimane costante. In simboli:

$$\Delta S_{universo} = \Delta S_{sistema} + \Delta S_{ambiente} \ge 0$$

A livello microscopico (meccanica statistica di Boltzmann), l’entropia è definita dal numero di microstati $W$ compatibili con un dato macrostato del sistema:

$$S = k_B \ln W$$

dove $k_B$ è la costante di Boltzmann. In ingegneria, in particolare nello studio delle macchine termiche (motori, turbine, frigoriferi), l’entropia è uno strumento essenziale per determinare i rendimenti ideali massimi. Le perdite dovute ad attrito, dissipazione di calore o espansioni non controllate comportano sempre una generazione di entropia, riducendo l’energia utile ricavabile dal processo (si parla di degradazione dell’energia o exergia persa).