Entropi er en sentral størrelse i naturvitenskapen ved siden av arbeid og energi. Opprinnelig ble entropi definert som en makroskopisk størrelse. Senere ble entropi definert på grunnlag av en beskrivelse av stoffene på mikronivå som et mål for uorden i naturen.
Definisjon på makronivå
Entropi (symbol S) er en tilstandsfunksjon for et system (se termokjemi). Hvis to reservoarer for energi har forskjellig temperatur og kommer i kontakt med hverandre, får man en energitransport fra det varmeste til det kaldeste reservoaret. Denne energitransporten kalles varme.
Ved en slik prosess vil begge reservoarene endre entropi. Entropiendringen er definert som avgitt eller mottatt varme dividert med reservoarets absolutte temperatur. Hvis varmen Q går ut av det varmeste reservoaret, som har temperaturen T1, får det et entropitap ΔS1 = Q/T1. Samme varmen Q går inn i det kaldeste reservoaret, som har temperaturen T2, og dette får da en entropiøkning ΔS2 = Q/T2. Siden T1 er større enn T2, blir entropiøkningen til reservoaret som mottar varme, større enn entropiminskingen til resevoaret som avgir varme. Det blir derfor en økning i den totale entropi.
Da varme i alle naturlige prosesser alltid går fra steder med høyere temperatur til steder med lavere temperatur, og ikke omvendt, vil alle varmeoverføringer føre til stadig økende entropi i universet. Dette kalles varmelærens 2. lov. Ifølge denne loven eksisterer ingen fysiske prosesser som kan gjøre at entropien til isolerte systemer avtar.
Definisjon på mikronivå
Ludwig Boltzmann knyttet begrepet entropi sammen med sannsynlighet og viste at en økning i entropien er ensbetydende med at et system går fra en makroskopisk tilstand med mindre sannsynlighet til en tilstand med større sannsynlighet.
Han viste også at entropien S, slik den var definert av Clausius, er lik den naturlige logaritmen til antall mulige mikroskopiske tilstander w for systemet (antall ulike molekylære arrangementer som gir samme makroskopiske tilstand) multiplisert med en konstant k (boltzmannkonstanten): S = k·ln w.
Termodynamikkens 2. hovedsetning er da et uttrykk for at alle prosesser i isolerte systemer går fra en tilstand med mindre sannsynlighet til en tilstand med større sannsynlighet.
Praktiske konsekvenser
Entropi er av stor betydning ved tekniske anvendelser av varmelæren, og varmelærens 2. lov har viktige konsekvenser når det gjelder konstruksjon av maskiner. Maskiner med størst virkningsgrad gir minst økning av den samlede entropi. Entropiendring per kilogram og per grad er målt for mange stoffer og satt opp i tabeller, som brukes ved konstruksjon av varmekraftmaskiner, motorer, kjøleskap, frysebokser o.l.
Entropi og informasjon
Når et system prepareres, slik at ulike deler av systemet har forskjellig temperatur, har man mer informasjon om systemet enn når det er i temperaturlikevekt. En utvikling av systemet mot temperaturlikevekt gir økende entropi og innebærer samtidig at man taper informasjon om systemet. Den franske fysiker Léon Brillouin tolket derfor entropi som et mål for manglende informasjon om et system. Termodynamikkens 2. hovedsetning kan da oppfattes som et uttrykk for at alle fysiske prosesser i et isolert system fører til tap av informasjon om systemet. Se også informasjonsteori.
Entropi og tid
For å understreke sammenhengen mellom entropiøkning og tidens retning, har den britiske astrofysiker A. Eddington innført betegnelsen «tidens pil» for entropien. De fleste lover i fysikken sier ingenting om hvilken vei en prosess går, f.eks er beskrivelsen av en kastebane den samme begge veier, tidsforløpet kan gjerne gå bakover. Termodynamikkens 2. hovedsetning sier imidlertid at alle prosesser går en slik vei at universets entropi øker.
Varmedød
Det knytter seg betydelig filosofisk interesse til termodynamikkens 2. hovedsetning fordi den gir uttrykk for at alle termodynamiske prosesser medfører en temperaturutjevning. Disse prosessene må derfor opphøre når temperaturen alle steder er blitt den samme, dvs. når entropien har nådd sitt maksimum (varmedød). Det er også fremsatt en rekke hypoteser om prosesser hvor denne hovedsetning ikke skulle gjelde. Bl.a. har man tenkt seg at biologiske prosesser kunne bryte med setningen, men man har til nå ingen grunn for en slik antagelse.
Historie
Entropibegrepet ble innført av den tyske fysiker Rudolph Clausius i 1865 for å gi en systematisk sammenfatning av flere generasjoners forskning omkring dampmaskiner og termodynamikkens 2. hovedsetning.
Den statistiske betydning av entropi ble innført av den østerriske fysiker Ludwig Boltzmann i 1872. Han trodde på atomer i en tid hvor mange fysikere ikke gjorde det. Det var en belastning for ham og han endte med å ta sitt liv i 1906, tragisk nok, like før atomer ble akseptert av alle.