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Fórmula de la entropía de Boltzmann

1877
  • Ludwig Boltzmann
19th-century scientific office with Boltzmann's Entropy Formula and thermodynamic equations.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Esta fórmula fundamental conecta lo macroscópico termodinámica cantidad de entropía (S) con el número de posibles configuraciones microscópicas, o microestados (W), que corresponden al estado macroscópico del sistema. La ecuación, [latex]S = k_B ln W[/latex], revela que la entropía es una medida del desorden estadístico o aleatoriedad. La constante [latex]k_B[/latex] es la constante de Boltzmann, que relaciona la energía a nivel de partícula con la temperatura.

La fórmula de entropía de Boltzmann proporciona una definición estadística del concepto termodinámico de entropía, que Rudolf Clausius definió previamente en términos de transferencia de calor ([latex]dS = frac{delta Q}{T}[/latex]). El avance de Boltzmann consistió en vincular esta magnitud macroscópica con las propiedades estadísticas de las partículas constituyentes del sistema. Un «macroestado» se define mediante variables macroscópicas como la presión, el volumen y la temperatura. Un «microestado» es una configuración específica de las posiciones y los momentos de todas las partículas individuales. La clave reside en que un único macroestado puede realizarse mediante un número enorme de microestados diferentes. La magnitud W, a veces denominada peso estadístico o probabilidad termodinámica, es este número.

The formula implies that the equilibrium state of an isolated system, which is the state of maximum entropy according to the Second Law of Thermodynamics, is simply the most probable macrostate—the one with the largest number of corresponding microstates (largest W). The logarithmic relationship is crucial because it ensures that entropy is an extensive property. If you combine two independent systems, their total entropy is the sum of their individual entropies ([latex]S_{tot} = S_1 + S_2[/latex]), while the total number of microstates is the product ([latex]W_{tot} = W_1 W_2[/latex]). The logarithm turns this product into a sum: [latex]k_B \ln(W_1 W_2) = k_B \ln W_1 + k_B \ln W_2[/latex]. This formula is famously engraved on Boltzmann’s tombstone in Vienna.

UNESCO Nomenclature: 2211
- Termodinámica

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • La formulación de Rudolf Clausius de la segunda ley de la termodinámica y la definición clásica de entropía.
  • El trabajo de James Clerk Maxwell sobre la distribución estadística de las velocidades moleculares en un gas
  • Development of probability theory by mathematicians like Pierre-Simon Laplace
  • La teoría cinética de los gases

Aplicaciones

  • teoría de la información (entropía de Shannon)
  • black hole thermodynamics (bekenstein-hawking entropy)
  • ciencia de los materiales para predecir la estabilidad de fase
  • Química computacional para el cálculo de entropías de reacción
  • física de la transición vítrea

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

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Relacionado con: entropía, Boltzmann, microestados, macroestados, termodinámica, probabilidad, mecánica estadística, constante de Boltzmann.

Contexto histórico

Fórmula de la entropía de Boltzmann

1868
1870
1873
1877
1880
1882-01-01
1883
1865
1869
1871
1876
1877
1880
1882-01-01
1884

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

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