L’entropia

L’entropia

L’entropia è una grandezza che indica la dispersione di energia termica di un sistema, che può essere inteso come un elemento chimico, una sostanza, ed è strettamente legata alle reazioni e alle trasformazioni chimiche e a qualsiasi fenomeno fisico.

La combustione, ad esempio, determina una dispersione di energia. L’energia chimica del materiale che brucia (un fiammifero, un legno, del carbone) viene convertita in energia termica che si disperde nell’ambiente a seguito del movimento delle molecole dei prodotti della combustione e non può più ritornare nella situazione di partenza spontaneamente. Questo aumento di dispersione dell’energia viene rappresentato dall’entropia e viene indicato con il simbolo S.

Se non si ha una dispersione di energia, un fenomeno non può avvenire spontaneamente ma bisogna provvedere altra energia al sistema sempre tramite altri processi spontanei. Ad esempio, se un pallone si ferma mentre si gioca bisogna dargli una spinta che deriva dalla nostra energia cinetica.

Per stabilire se una reazione chimica comporta un aumento o una diminuzione di entropia bisogna sommare la sua variazione sia nel sistema, inteso in questo caso come l’insieme dei reagenti e dei prodotti, che nell’ambiente. Nel caso di una reazione esotermica, in cui i reagenti cedono calore per trasformarsi nei prodotti, si ha un aumento di entropia nell’ambiente che riceve questa dispersione di energia: ΔSamb > 0. Nel caso di reazioni endotermiche si ha un assorbimento di calore del sistema da parte dell’ambiente il quale perde energia: ΔSamb > 0.

L’entropia di un sistema, indicato con il simbolo ΔSsist, aumenta nel caso di trasformazioni fisiche in cui il sistema acquista calore come nel caso dell’evaporazione e della fusione, mentre diminuisce nel caso contrario come quando una sostanza si raffredda o solidifica. Ci sono anche casi in cui non si può stabilire in maniera categorica se una trasformazione aumenti o diminuisca la sua dispersione di energia, come nel caso in cui sia i reagenti che i prodotti sono tutti allo stato solido o liquido oppure quando il numero delle loro molecole è uguale quando si trovano allo stato gassoso. Se invece una sostanza si decompone in altre cede calore perché l’energia che teneva unite le sue molecole viene persa; il sistema acquista, invece, energia quando le molecole dei reagenti sono maggiori dei prodotti perché assorbono energia per unirsi tra loro.

Qualsiasi elemento chimico non ha nessuna dispersione di energia quando si trova ad una temperatura che lo mantiene allo stato solido e che non permette nessun movimento di particelle. Questa temperatura viene chiamata zero assoluto e corrisponde a 0 gradi nella scala Kelvin (0 K). Il suo valore di entropia inizierà ad aumentare man mano che aumenta la temperatura fino a quando l’elemento raggiungerà la sua temperatura di ebollizione e continuerà finché tutta la sua energia non sarà dispersa, cioè fino a quando tutte le sue particelle non si saranno disperse nell’ambiente.

Per stabilire se una reazione chimica può avvenire spontaneamente bisogna confrontare la dispersione di energia che avviene nel sistema con quello che avviene nell’ambiente. Se c’è un aumento di entropia sia nell’ambiente che nel sistema si ha sempre una reazione chimica mentre nel caso contrario, quando i loro valori sono entrambi negativi non avviene mai. Nel caso in cui non è possibile stabilire il valore di entropia del sistema basta considerare il valore di quello dell’ambiente. Nel caso, invece, che i due valori sono di segno opposto, cioè quando il sistema disperde energia mentre l’ambiente lo assorbe o quando capita il contrario, è la temperatura a influenzare le trasformazioni fisiche e chimiche. Mettendo del ghiaccio dentro l’acqua liquida esso si scioglierà soltanto se la temperatura è al livello tale da favorire questo cambiamento di stato.

Una grandezza che permette di stabilire facilmente se una reazione avverrà oppure no si chiama energia libera, indicata con il simbolo G, e che si ricava dalla seguente formula:

G = H – T ∙ S

In questa formula H rappresenta la variazione di calore che avviene durante una trasformazione chimica: in caso in cui il sistema cede calore sarà negativo mentre quando lo assorbe è positivo. Nel caso in cui la temperatura e la pressione dei reagenti e dei prodotti sono le stesse bisognerà sottrarre ai valori di entalpia dei prodotti quella dei reagenti come anche i loro valori di entropia e la formula sarà:

ΔG = ΔH – T ∙ ΔS

Questa formula, chiamata relazione di Gibbs, dal nome del chimico che la stabilì, è in effetti una somma algebrica. Se ΔH è minore di zero, avendo valore negativo, il fatto che la reazione possa avvenire o no dipende dal fatto se ΔS è positivo o negativo. La temperatura ha valore assoluto perché viene utilizzata la scala Kelvin che non ha valori negativi e influenza soltanto il valore finale assoluto del suo prodotto con l’entropia. Comunque sia, una reazione può avvenire nel nostro ambiente, nel senso che noi possiamo farla avvenire, soltanto se ΔG è minore di zero.

Le trasformazioni possono, quindi, avvenire soltanto in caso di dispersione dell’energia termica. Infatti, non è possibile raffreddare qualcosa spontaneamente perché questo fenomeno richiederebbe assorbimento di energia. Proprio per questo motivo ci serviamo di frigoriferi e congelatori i quali funzionano con l’energia elettrica.

L’energia dispersa non viene sprecata ma spesso convertita o usata in altri modi. Un esempio è quello del ciclo dell’acqua nel momento che passa allo stato aeriforme: la sua energia viene dispersa ma si condensa per formare le nuvole e ricadere di nuovo sulla Terra. Il modo in cui è fatto l’universo, insieme alle varie leggi fisiche e chimiche, fanno in modo che la Terra sia un pianete adatto alla vita. Il risparmio energetico consiste oggi anche in questo, nel potere conservare o convertire più energia dispersa possibile. Le ricerche e gli studi mirano a produrre mezzi che permettono e permettano ancora di più di fare questo non solo a livello industriale ma anche a livello domestico e in ogni campo della vita. Anche produrre materiali che siano facilmente degradabili quando non servono più rientra in questo compito perché riduce il livello di inquinamento.

Nonostante l'entropia non c'è vero disordine nella natura