Entropia și rolul ei in știință

ENTROPIA ŞI ABSURDITĂŢILE ŞTIINŢEI MODERNE

Motto:
Albert Einstein a considerat legile termodinamice ca fiind “legile primordiale ale tuturor ştiinţelor”, iar Sir Arthur Eddington afirmă cu privire la acestea: “Principiul al doilea al termodinamicii deţine supremaţia între legile naturii... Daca teoria voastră este împotriva celei de-a doua legi a termodinamicii, nu pot sa va dau nici o speranţă, nu mai este nimic de făcut pentru această nouă teorie decît căderea în cea mai abisală umilire posibilă.…”
Lumea e plină de falşi moralişti şi de cei care plantează sperietori de ciori! Păcat de cei care merg într-o direcţie doar pentru că turma întreagă merge în aceeaşi direcţie!

Cadrul actual şi actuala explicaţie

Actuala fizică acceptă pentru conceptul de entropie mai multe definiţii si mai mult decât atât consideră că aceste definiţii sunt echivalente între ele. Astfel entropia poate fi definită ca:
1. o masură a probabilităţii obţinerii unui rezultat specific;
2. o masură a dezordinii unui sistem termodinamic;
3. o măsură a căldurii raportată la temperatura absolută a sistemului.
Nu este necesar să insistăm prea mult pe aceste definiţii deoarece ele sunt descrise pe larg în orice manual de fizică elementară.
Desigur că având aceste variante în definirea entropiei, legea a doua a termodinamicii nu are o formulare unitară. Aici o sa exemplificăm doar cateva, însă există cel puţin 10 forumulări considerate echivalente pentru această lege.
În formularea dată de Kelvin: Nu se poate realiza un proces al cărui singur efect este transformarea completă a căldurii în lucru mecanic;
În formularea dată de Clausius: “Nu e posibilă o transformare care sa aibă ca rezultat trecerea de la sine a caldurii de la un corp cu o temperatura dată, la altul cu una mai ridicată.”
Clausius introduce conceptul de entropie şi alte formulări ale acestei legi a doua bazate pe acest concept sună astfel:
• Orice proces ireversibil care implica sisteme termodinamice finite, duce la cresterea entropiei.”
• Entropia unui sistem închis nu poate niciodată să scadă.

Este acceptat că legea a doua a termodinamicii este legea cea mai bine confirmată şi mai universal valabilă dintre toate legile din fizică, din ea reieşind printr-o analizare aprofundată, că Universul tinde din ce în ce mai mult spre dezordine.
Mai mult decât este acceptat că această lege face posibilă definirea noţiunii de trecut şi viitor în fizică şi în universul real. Întrucât entropia unui sistem izolat creşte în timp, măsurând aceasta valoare la momente diferite, se poate trasa grafic variaţia entropiei şi in acest mod se poate defini o axa temporală respectiv o direcţie a timpului. Cu cât timpul va creşte, gradul de “dezordine” dintr-un sistem va fi şi el mai mare. Această asimetria la nivel macroscopic poate oferi din punct de vedere empiric posibilitatea diferenţierii dintre trecut şi viitor şi de aceea în termodinamică timpul este o mărime anizotropică. Pentru oricare alte legi fizice timpul este o marime izotropică, cu alte cuvinte există o invarianţă a legilor fizice în raport cu inversarea sensului timpului.
Mai tarziu, cercetătorii care au studiat efectele legii a doua a termodinamici au ,,admis” că această lege este universal valabilă pentru o gamă mult mai largă de procese, nu numai pentru fizică. Se consideră că nu exista nici o excepţie de la acestă lege si toate evenimentele, de la cele mai simple, pana la cele mai complexe, toate procesele din univers se supun acestei legi. În consecinţă, efectele legii au fost extinse şi la procese chimice, biologice, sociologice, informationale, etc.

De ce actualul concept de entropie este plin de absurdităţi şi complet inutil pentru ştiinţă ?
1. Entropia şi procesele chimice respectiv biologice
Deşi fizica postulează că entropia creşte întotdeauna sau rămâne constantă pentru un sistem izolat, acest fapt nu este respectat în cadrul chimiei. Nu este nevoie de introducerea unor noi concepte în actuala chimie-fizică pentru a demonstra că legea a doua a termodinamicii este contrazisă flagrant de fenomenele chimice. O reacţie chimică nu se desfaşoară întotdeauna în sensul creşterii entropiei sistemului.
Încă de la începuturile dezvoltării chimiei ca ştiinţă, datele experimentale au arătat că există doi factori care afectează spontaneitatea unui proces chimic :
• spontaneitatea este favorizată când procesul este exotermic
• spontaneitatea este favorizată când creşte ,,gradul de dezordine” al sistemului.
Pentru a descrie din punct de vedere matematic influenţa acestor factori asupra spontaneităţii unui proces chimic, în chimie fizică s-au introdus două concepte:
• entalpia de reactie caracterizează exo- sau endotermicitatea procesului chimic
• entropia care masoară gradul de dezordine al sistemului.
Mai tarziu, Gibbs, a definit o nouă mărime numită energia liberă de reactie (G) pe care a definit-o ca G=H-TS unde H este entalpia, T este temperatura absolută şi S este entropia. În chimie, energia liberă de reacţie este utilizată ca indicator al spontaneităţii unui proces chimic şi nu entropia, asa cum prevede principiul al doilea al termodinamicii.
Matematic (tab 1) se poate determina care combinaţii între entalpie şi entropie conduce la reacţii chimice spontane.

Aşa cum este uşor de observat, în cadrul chimiei actuale, spontaneitatea si respectiv evoluţia unui sistem chimic este rezultatul combinării a trei factori, întrucat temperatura ca atare trebuie sa fie considerată un factor independent de entalpie şi entropie. 
Când entalpia şi entropia au semne diferite (cazul 1 şi 4), ele acţionează în aceeaşi direcţie şi spontaneitatea procesului nu e dependentă de temperatură. Când entalpia şi entropia au acelaşi semn (cazul 2 şi 3), efectele lor sunt opuse şi de aceea modificarea valorii temperaturii va face ca unul din factori să devină dominant şi spontaneitatea este dependentă de valoarea temperaturii. Pentru cazul 2, scăderea temperaturii sub o anumită limită, face ca entalpia liberă de reacţie sa devină negativă şi procesul să devină spontan, în vreme ce pentru cazul 3, creşterea temperaturii, peste o anumită limită, face ca procesul sa devină spontan. 
Este mai mult decât hilară motivaţia actuală a introducerii conceptelor de potenţiale termodinamice (energia libera de reacţie) în ştiinţă, în loc de a se lucra direct cu principiul II al termodinamiicii. Se consideră că variaţia entropiei ne poate spune care procese sunt spontane doar în cazul sistemelor izolate, în vreme ce pentru procesele care se desfăşoară în condiţii reale avem nevoie de aceste potenţiale termodinamice. Concluzia logică care se poate desprinde e că, în acest caz, evoluţia sistemelor chimice şi biologice nu se poate deduce din principiul II al termodinamicii pentru că nici un sistem chimic sau biologic nu e complet izolat. 
În consecinţă, fără a apela la concepte noi, ar trebui ca actualii teoreticieni să limiteze caracterul de generalitate al legii a doua a termodinamicii doar la fenomenele fizice (care sunt acelea!?) şi să accepte că pentru chimie repectiv biologie, entropia este doar un factor dintr-un set de trei factori care afectează evoluţia sistemelor chimice şi biologice. Desigur că în loc să repare situaţia, actualii teoreticieni preferă să taie frunze la câini şi să scoata pe bandă rulantă lucrări ştiinţifice fără nici o valoare. 
În noua teorie, care va fi descrisă pe larg în carte, actualul concept de entropie este considerat inutil pentru descrierea fenomenelor fizice, chimice, biologice. Daca se va face referire la acesta, din motive didactice, este doar pentru a putea face o comparaţie între situaţia actuală şi noua interpretare.

2. Ordine, dezordine şi entropia
Definitia entropiei ca o masură a creşterii dezordinii sistemului termodinamic este cel mai usor de eliminat la o analiză sumara a conceptului de ordine şi dezordine.
În 1850, Rudolf Clausius a introdus termenul de “entropie” drept o cantitate ce creşte ca urmare a disipării căldurii. Pentru că la acel moment (de fapt şi in prezent!), căldura în general, face referire la mişcarea întâmplătoare a particulelor ce constituie un sistem, entropia a fost apreciată drept gradul de “dezordine” pe care sistemul îl are. Este importat de subliniat că termodinamica studiaza fenomenele termice fara a ţine seama de structura atomo-moleculară a corpurilor. Ea nu studiaza mecanismul fenomenelor, din aceasta cauză, nu se foloseşte de reprezentările structurale ale corpurilor materiale. Desigur la nivel atomic ordinea este asociată cu un anumit şablon de aranjare a atomilor în cadrul unei structuri specifice, în vreme ce dezordinea este asociată cu absenţa acestui şablon. Pentru a fi mai explicit, în cazul corpurilor solide, structura cristalină este o stare ordonată în vreme ce structura amorfă este o stare dezorganizată. În cazul lichidelor şi gazelor (ideale sau reale) nu se poate vorbi de o structură ordonată sau dezordonată întrucât particulele constituente ale unui lichid sau gaz sunt în continuă mişcare.
Atunci cand vine vorba de entropie, există o mare confuzie în fizica actuală în ceea ce priveste conceptul de ordine şi conceptul de libertate de miscare, iar consecinţele acestei confuzii se propagă în lanţ in diverse ştiinţe nu numai fizică.
Să considerăm un material amorf (sticlă, bitum, etc.) supus unui proces de răcire de la o temperatură de t1=300°C pana la o temperatură de t2=-100°C. La ambele temperaturi materialul se prezintă sub formă solidă, dar ne interesează cum creşte sau scade ordinea sistemului între cele două temperaturi. Să presupunem că la temperatura t1, entropia sistemului este S1 iar la temperatura t2 entropia sistemului este S2. In conformitate cu legea a treia a termodinamicii, care afirmă că scăderea temperaturii conduce la scaderea entropiei,vom avea S2<S1.
Se reflectă această scădere a entropiei în creşterea gradului de ordine al sistemului?
Întrebarea e retorică şi raspunsul îl poate da până şi un începător în fizică. Scăderea temperaturii nu conduce la creşterea gradului de ordine al sistemului, mai precis un material amorf nu se poate transformă într-un cristal. Prin studii de difracţie de raze X sau electroni se poate confirma că modificare temperaturii nu conduce la modificarea aranjării atomilor în reţea, deci nu modifică gradul de ordine sau dezordine. O dată cu scăderea temperaturii se modifică, în fapt se limitează posibilitatea de miscare a acestor atomi in jurul pozitiei de echilibru.
Să considerăm un alt experiment, des folosit in argumentarea entropiei şi a ireversibilităţii fenomenelor fizice. O bilă loveste o placă şi depinzând de natura ciocnirii o cantitate mai mică sau mai mare din energia cinetică a bilei se transformă în căldură. Dacă ciocnirea este aproape elastică (cazul unei bile metalice si o suprafaţă corespunzătoare), doar o mică fracţiune din energia bilei se transformă în căldură. Dacă ciocnirea este plastică, bila sau/şi suprafaţa se deformează şi aproape/sau toată energia cinetică a bilei se transformă in căldură. În ambele cazuri, actualii teoreticieni justifică că entropia sistemului creşte (mai puţin evidentă în ciocnirea elestică şi mai mult în cea plastică) , întrucât cantităţii de căldură degajate în timpul ciocnirii îi corespunde o creştere a entropiei sistemului.
Dar această ,,creştere” a entropiei sistemului are un corespondent în creşterea stării de dezorganizare a sistemului?
În cazul ciocnirii aproximativ elastice, cantitatea de căldură degajată se disipă fără a se observa modificări macroscopice ale corpurilor luate in studiu. La nivel atomic, cu ajutorul difracţiei de raze X sau electroni se poate verifica că nu există o modificare a structurii iniţiale (cristaline sau amorfe) a materialelor constituente.
Chiar şi in cazul ciocnirii plastice, unde întreaga cantitate de energie cinetică se transformă în căldură nu se poate concluziona că starea de ordine sau dezordine la nivel microscopic este modificată (excluzând cazul cand cantitatea de caldură degajată este atât de mare încât se produce vaporizarea materialelor!). Afirmaţia actualilor teoreticieni că în timpul acestor ciocniri, sistemul trece de la o stare termodinamică cu probabilitate mică la o stare termodinamică cu probabilitate mare, şi că această trecere conduce la o mişcare dezordonată, haotică a particulelor materiale este pură fabulaţie. Desigur că în cazul ciocnirii plastice se modifică la nivel macroscopic forma bilei si a suprafetei, dar acestea sunt efecte secundare care nu afectează ordinea şi dezordinea microscopică; afectează doar utilitatea bunurilor pentru un ulterior uz practic.
De aceea, în teoria care se propune, nu există nici o legatură între conceptul de entropie şi ordinea microscopică sau macroscopică.
Extinderea legilor termodinamicii la comportamentul uman, unde ordinea si dezordinea sunt concepte mai mult decât subiective, reprezintă o impardonabilă eroare a fizicii moderne şi această eroare fundamentală va trebui evitată pe viitor.

3. Nonechivalenţa entropiei definită ca o probabilitate şi respectiv ca şi căldură raportată la temperatura absolută

Experimentul nr. 1. Entropia unui amestec de gaze ideale

Să considerăm doi recipienţi de volume egale umplute cu gaze nobile conectate printr-un tub îngust ca în fig. 1. Un recipient este umplut cu heliu iar celălalt cu xenon. Temperatura ambelor baloane este de 25°C iar presiunea gazelor in interior este de 0,5 atm. În aceste condiţii ambele gaze au un comportament apropiat de cel al unui gaz ideal.

Figura 1.

Atunci cand robinetul care conectează cele două baloane se comută pe poziţia deschis, gazele se amestecă în mod spontan iar parametrii care caraterizeză acest sistem rămân constanţi (presiunea, temperatura, numarul de moli de He respectiv Xe ).
Se acceptă că modificarea entropiei (creşterea ei în acest caz), este forţa motoare care generează această redistribuţie a atomilor de He şi Ar între cele două baloane, până când se ajunge la o stare de maximă distribuţie (împrăştiere) asa cum este reprezentat în fig. 1.
De ce actuala explicaţie este un monument de absurditate...?

Teoria cinetico moleculară admite că particulele unui gaz ideal suferă ciocniri elastice între ele sau cu pereţii containerului.
Însă, în nici un manual de fizică sau tratat de fizică, nu veţi găsi o descriere a ceea ce se întâmplă când avem un amestec de gaze ideale cu mase moleculare diferite.
Să vedem la ce concluzii ajungem pentru amestecul unui volum de heliu cu masa moleculară M_He=4 cu un volum de Xe avand masa moleculară M_Xe=131. Pentru simplicitate să consideră V_He=V_Xe=1 m³ iar temperatura sistemului T=298K. După deschiderea robinetului gazele se amestecă fără a absorbi sau degaja căldură, în cosecinţă sistemul rămane la aceasi temperatură în starea finală de maximă împrăştiere.
Temperatura unui gaz este cosiderată a fi o măsură a energiei cinetice a moleculelor, iar energia cinetică depinde de pătratul vitezei moleculei.
La temperatura T = 298 K, atomii de heliu, respectiv atomii de Xe se miscă cu viteze medii mult diferite. Acestea pot fi calculate cu relaţia:
unde R este constanta universală a gazelor, T este temperatura isr M este masa moleculară.
Pentru He avem , Pentru Xe avem 

După cum se poate observa există e deosebire majoră intre vitezele atomilor de heliu şi a atomilor de Xe la aceeasi temperatură ambiantă.
Atunci cand are loc amestecarea si chiar dupa ce sistemul ajunge la starea de ,,împrăştiere” maximă, vor exista ciocniri între atomii de heliu şi cei de xenon, dar si ciocniri individuale ale atomilor de heliu respectiv xenon cu pereţii containerului.
În urma acestor ciocnirilor intre atomi şi pereti, viteza atomilor de heliu respectiv xenon rămân constante (masa peretelui poate fi considerată infinită raportată la masa moleculelor).
Însă, atomii de heliu se pot ciocni şi de atomii de xenon în interiorul fiecărui container. Teoria cinetico moleculară ne oferă şi o mărime specifică care estimează ce distanţă parcurge un asemenea atom înainte de a suferi o nouă ciocnire şi care indică o frecvenţă extrem de ridicată a acestor tipuri de ciocniri in cazul unui volum total de 2 m³.
Pentru a simplifica situaţia considerăm că atomii de He şi cei de Xe suferă doar ciocniri frontale; în cazul real ciocnirile pot fi şi oblice, dar acest ultim caz complică situaţia doar din punct de vedere matematic, fără a afecta interpretarea rezultatelor.
Cunoscând valoarea vitezelor iniţiale, în mecanica clasică, se poate determina în cazul ciocnirii frontale unidimensionale a două sfere, care va fi valoarea vitezelor după ciocnire.
Notând cu u1 şi u2 vitezele înainte de ciocnire, v1 şi v2 vitezele după ciocnire şi considerând că masele m1 şi m2 ale corpurilor ce participă la ciocnire, putem aplica legea conservării momentului şi a energie pentru a putea calcula vitezele finale.
, 
Rezolvând acest sistem de ecuaţii în raport cu v1 şi v2 obţinem:
 și respectiv 


Desigur că semnul minus semnifică o schimbare a direcţiei vectorului viteză pentru atomul de heliu, raportat la direcţia iniţială considerată pozitivă. În cazul nostru având u1=1363 m/s şi u2=-238 m/s, m1=4 şi m2 =131, vom obţine pentru valorile finale:
 și 
Aşa cum se poate observa, viteza atomilor implicaţi in ciocnirea elastică se modifică şi acest lucru va conduce la existenţa a două temperaturi diferite în sistem una raportată la heliu care trebuie sa fie:

, iar alta raportată la xenon ar trebui să fie:
Aceste rezultate sunt mai mult decât dezastruoase pentru teoria cinetico moleculară. La amestecarea a două gaze ideale, energia particulelor nu ar trebui să ramână constantă, ci să se modifice în funcţie de o întreagă serie de factori cum ar fi: masele moleculare ale moleculelor implicate în ciocnire, unghiul de ciocnire etc. În aceste condiţii, pentru actualii teoreticieni, noţiunea de temperatură la nivel macroscopic şi microscopic îşi pierde semnificaţia şi desigur că întreaga termodinamică în absenţa acestui concept este un nonsens. 

Nu numai noţiunea de temperatură, dar şi conceptul de difuzie a gazelor devine inconsistent cu datele experimentale.
Să presupunem că tubul rigid care leagă cele două containere are o lungime de cel putin 2m şi că robinetul este fixat la mijlocul tubului.
Atunci cand robinetul este cumutat pe poziţia deschis, atomii de heliu vor tinde să se deplaseze în rezervorul de xenon şi reciproc atomii de xenon vor tinde să se deplaseze în rezervorul de heliu. Însă ca urmare a ciocnirilor între aceste specii, atomii de heliu sunt întorşi în acelaşi rezervor cu o temperatură crescută, în vreme ce atomii de xenon, reusesc să pătrundă de-a lungul tubului de legătură către rezervorul de heliu, însă îşi micsoreză temperatura. De aceea, practic se va constata o difuzie a gazului cu masă moleculară mare în gazul cu masă moleculară mică. Acest lucru este în flagrantă contradicţie cu legea difuziei. Desigur că pe langă contrazicerea legii difuziei, acest model conduce la efecte termice majore, care nu au fost niciodata observate experimental. Este imposibil ca atunci cand amesteci două gaze, ambele aflate la temperatura ambiantă, la nivel local, unuia sa îi crească temperatura până la aproximativ 215°C, iar celuilalt să îi scadă până la aproximativ -165 °C şi aceste fapte să nu fie observate experimental.
În teoria propusă, aşa cum sa afirmat anterior, întreaga teorie cinetico moleculară a gazelor este considerată absurdă şi eliminată din ştiintă.
Suplimentar, conceptul de entropie aşa cum este definit în prezent este considerat la fel de absurd ca si teoria cinetico-molculară.

Spre sfârşit, dar la fel de important, este necesar să comparăm între ele, cele două definiţii ale entropiei bazate pe conceptul de probabilitate termodinamică şi respectiv căldură.
Se admite că entropia caracterizează fiecare stare a unui sistem termodinamic şi este strâns legată de probabilitatea termodinamică (numită şi pondere statistică) a stării respective. Relaţia dintre entropia unei stări şi probabilitatea termodinamică a acelei stări a fost stabilită de Boltzmann:S = k lnW unde k este o constanta de proporţionalitate numită constanta lui Boltzmann iar W probabilitatea termodinamice a stării respective
Pe de altă parte, entropia ca funcţie de stare dedusă din principiul II al termodinamicii, pentru un proces infinitezimal reversibil se poate scrie ca :iar pentru procese ireversibile: aceasta marime e pozitivă.

Materia aflată în stare de gaz este formată din molecule individuale între care există slabe forţe de atracţie. Însă pentru materia aflată în formă lichidă, şi mai ales pentru starea solidă, forţele de atracţie dintre particule sunt destul de puternice. Acest lucru face imposibilă o distribuţie probabilistică a particulelor în asemenea sisteme. Spre exemplu, atunci cand se formează un solid ca urmare a unei reacţii chimice, particulele constituente nu mai au libertatea de miscare de a se dispune la întâmplare. Există un anumit sablon de aranjare a atomilor in solid. Cel mai simplu exemplu ar fi formarea clorurii de amoniu solidă plecand de la acid clorhidric si amoniac în stare gazoasă. Pentru acidul clorhidric şi amoniac, în stare gazoasă, se poate admite că aceste molecule se pot distribui şi redistribui într-un anumit volum pe baza unor legi statistice. Însă, odată formată clorura de amoniu nici un atom din acest complex nu mai are libertatea de mişcare si el face parte dintr-o structură macroscopică numită cristal. Nici molecula de clorură de amoniu per ansablu, nu mai are libertatea de a se misca sau redistribui statistic în interiorul cristalului. În consecinţă, conceptul de entropie ca o pondere statistică în cazul solidelor şi lichidelor este un nonsens.
La fel de absurde sunt actualele interpretări ale dizolvării sau altor fenomene fizico-chimice ca fiind posibile întrucât conduc sistemul la o stare probabilistică maximă.
Dacă punem cateva granule de sare (NaCl) într-un pahar cu apă, se observă că sarea se dizolvă după un anumit interval de timp, chiar în absenţa agitării. Se admite că această dizolvare se produce pentru că entropia sistemului creşte atunci când sarea disociază în ioni şi se formează o soluţie. Însă această interpretare nu dă nici o indicaţie despre ce se întâmplă cu entropia atunci când se adaugă o cantitate de sare mai mare, astfel încât să depasim limita de solubilitate a clorurii de sodiu (36 g pe 100 ml apă la 25°C). Dacă adăugăm 40 g sare de bucătărie la 100 ml apă (25°C) observăm că numai aproximativ 36 g de sare se dizolvă, iar restul de 4 grame se depune, în absenţa agitării, la baza vasului.
Cum se poate interpreta acest simplu fapt?
O interpretare plină de ,,bun simţ” ar trebui să admită că există un factor limitator care nu permite entropiei să crească continuu. Pentru cazul expus, solubilitatea este un factor mai profund si mai important decât entropia, şi nu se poate vorbi de entropie fără a lua în considerare solubilitatea.
Desigur că se poate face încă un alt experiment simplu care să demonstreze că solubilitatea este mai importantă decât tendinţa catre dezordine postulată de către principiul II al termodinamicii.
Este binecunoscut faptul că apa si uleiul (comestibil) nu se amestecă deoarece solubilitatea lor reciprocă, măsurată experimental, este foarte mică. Totuşi, dacă un amestec de apă cu ulei este supus unui proces de agitare puternică, se formează o dispersie de ulei in apă care se păstrează atât timp căt agitarea este menţinută. Această dispersie prezintă o stare de dezordine mult mai mare comparata cu starea initială când aveam două lichide nemiscibile separate pe baza densitătii. Însă imediat ce agitarea se opreşte, sistemul revine la starea iniţială cu separarea celor două straturi nemiscibile pe baza diferenţei de densitate. Se pare ca din nou legea solubilităţii este mai presus decăt creşterea de entropie şi mai mult decăt atât procesul este reversibil chiar dacă în starea finală entropia sistemului scade.