Entropic fuerza, Formulación matemática, Ejemplos, Ejemplos especulativos

En la física, una fuerza entrópica que actúa en un sistema es una fuerza fenomenológica resultante de tendencia estadística de todo el sistema para aumentar su entropía, en lugar de a partir de una fuerza microscópica subyacente particular.

Formulación matemática

En el conjunto canónico, la fuerza entrópica asociada a una partición macroestado está dada por:

donde es la temperatura, es la entropía asociada al macroestado y es el actual macroestado.

Ejemplos

Polímeros

Un ejemplo típico de una fuerza entrópica es la elasticidad de una molécula de polímero libremente articulado. Si la molécula se tira en una configuración extendida, el sistema tiene una mayor cantidad de previsibilidad. Pero azar configuraciones en espiral son abrumadoramente más probable, es decir, tienen una mayor entropía. Esto se traduce en la cadena de tiempo de regresar a una configuración de este tipo. Para el observador macroscópico, el origen exacto de las fuerzas microscópicas que impulsan el movimiento es irrelevante. El observador ve simplemente el contrato de polímero en un estado de mayor entropía, como impulsado por una fuerza elástica.

Fuerza hidrofóbica

Otro ejemplo de una fuerza entrópica es la fuerza hidrófoba. A temperatura ambiente, que en parte se origina a partir de la pérdida de entropía por la red en 3D de moléculas de agua cuando interactúan con las moléculas de la sustancia disuelta. Cada molécula de agua es capaz de

  • la donación de dos enlaces de hidrógeno a través de los dos protones
  • aceptar otros dos puentes de hidrógeno a través de los dos pares solitarios sp3-hibridizados

Por lo tanto, las moléculas de agua pueden formar una red tridimensional extendida. Introducción de una superficie no-unión de hidrógeno interrumpe esta red. Las moléculas de agua se reorganizan alrededor de la superficie, a fin de minimizar el número de enlaces de hidrógeno interrumpidas. Esto está en contraste con el fluoruro de hidrógeno o amoníaco, que forman principalmente cadenas lineales.

Si la superficie introducido tenía una naturaleza iónica o polar, no habría moléculas de agua de pie en posición vertical sobre 1 o 2 de los cuatro orbitales sp3. Estas orientaciones permiten el movimiento fácil de decir, grado de libertad y por lo tanto disminuye la entropía mínima. Pero una superficie no-unión de hidrógeno con una curvatura moderada fuerza a la molécula de agua para sentarse apretado en la superficie de difusión 3 enlaces de hidrógeno tangenciales a la superficie y que están bloqueados en una forma de cesta-como clatrato. Las moléculas de agua que participan en esta cesta de clatratos como alrededor de la superficie no-unión de hidrógeno y se ven limitados en su orientación. Por lo tanto, cualquier acontecimiento que reduzca al mínimo tal superficie es de entrópicamente favorecido. Por ejemplo, cuando dos de tales partículas hidrófobas vienen muy cerca, las cestas de clatrato-como los rodean se fusionan. Esto libera algunas de las moléculas de agua en la mayor parte del agua, lo que lleva a un aumento en la entropía. Esta es la base de la denominada "atracción" entre los objetos hidrófobos en agua.

Química general

Fuerzas Entropic también se producen en la física de gases y soluciones, donde generan la presión de un gas ideal, la presión osmótica de una solución diluida, y en suspensiones coloidales, en los que son responsables de la cristalización de esferas duras.

Ejemplos especulativos

En los últimos años algunas fuerzas que en general se consideran las fuerzas convencionales han argumentado que en realidad entrópica en la naturaleza. Estas teorías especulativas y son objeto de los trabajos en curso.

Gravedad

En general se cree que la gravedad es una fuerza microscópica. Sin embargo, en 2009 Erik Verlinde, argumentado que la gravedad puede ser explicado como una fuerza entrópica.

Por ejemplo, cuando alguien tira una pelota en el aire, sigue una trayectoria parabólica. Tradicionalmente, se dice que la bola sigue un camino determinista dictada por la ley de la gravedad o la relatividad general de Newton. Sin embargo, en la teoría de la entropía, se argumenta que la bola puede seguir cualquier trayectoria y recoge una trayectoria "al azar". Un cálculo demuestra que, en la recogida de posibles trayectorias, la gran mayoría son casi exactamente la misma que la trayectoria parabólica. Por lo tanto, la pelota se observa para seguir una parábola.

Inteligencia

En 2013, Alex Wissner-bruto argumentó que el comportamiento inteligente se podría describir como una fuerza entrópica causal.

Otras fuerzas

Otras fuerzas fundamentales han argumentado recientemente que entrópico de origen, incluyendo la ley de Coulomb, las fuerzas electrodébil y fuerte, y la materia oscura y la energía oscura.