entropia. A entropia surgiu pela primeira vez quando se começou a debater a eficiência das máquinas, quando Clausius demonstrou que em um processo reversível vale a desigualdade
para variação de calor

em um processo a temperatura
T. Clausius chamou o lado esquerdo da desigualdade de entropia.
Hoje em dia entende-se que o que é fundamental e universal para todos os sistemas físicos macroscópicos é a existência de uma função S da energia U, volume V, número de partículas que constitutem o material N, e possivelmente outras variáveis como campos elétricos e magnéticos: S = S(U,V,N, ...). Postula-se a existência dessa função, chamada de entropia, assim como suas propriedades, o que define a segunda lei da Termodinâmica. Isso deixa bem claro quais são as regras do jogo, as leis fundamentais da Natureza, assim como se faz com a formulação da lei de Newton (a existência de uma função vetorial F, da posição, velocidade e do tempo, que satisfaz F = ma, e que se chama de força).
Mas toda matéria é feita de átomos. E cada átomo tem propriedades como a sua posição, velocidade relativa a um certo referencial, massa, energia, etc. Não entra entropia na lista. Se toda a matéria é feita de átomos, de onde vem a existência dessa função S?
A interpretação usual da entropia é chama-la de uma medida de desordem. Quase todos os físicos interpretam assim. Não só vaga e subjetiva, essa interpretação é incorreta. Vejamos o caso de um sistema ferromagnético (como o ferro). Abaixo de uma certa temperatura

, o material cria um campo magnético externo. Isso é porque cada átomo contém um certo dipolo magnético

, que é uma espécie de "carga" magnética. A energia de dois dipolos é dada por

, então a energia mínima é alcançada quando os dipolos apontam na mesma direção. Quando a energia de agitação térmica é bem maior que a de ligação dos dipolos, estes são nocauteados em direções aleatórias, e ai a soma sobre todos os átomos dá um campo magnético zero. Se baixarmos suficientemente a temperatura, o acoplamento magnético vence a agitação térmica e o material adquire um campo magnético externo. Nesse estado, todos os dipolos magnéticos estão alinhados: a ordenação do sistema é máxima. Se imaginarmos desalinhar os momentos magnéticos a temperaturas

, o sistema vai sair de um estado desordenado para um ordenado, e vai aumentar a entropia, pela segunda lei da Termodinâmica. Dai aumentamos a entropia do sistema e a ordem também.
A entropia foi vinculada as variáveis microscópicas da Natureza por Ludwig Boltzmann. Ele mostrou que o logarítmo do volume do espaço composto pelas variáveis microscópicas (como a posição e momento) é a entropia:

onde W é o volume do espaço das variáveis microscópicas, e k, a constante de Boltzmann, é uma constante que fixa as unidades. Com a equação de Boltzmann, agora podemos entender melhor o que significa a entropia.
A interpretação correta da entropia tem a ver com o conceito de
informação. O conceito foi matematizado por Claude Shannon, que demonstrou que há uma medida (no sentido matemático da palavra, como a idéia de área e volume) que tem as propriedades que associaríamos intuitivamente com informação, e esta medida é exatamente a equação de Boltzmann! Na interpretação de Shannon, a entropia é uma medida da falta de informação sobre o sistema: escolhemos as variáveis
U, V, N, e omitimos, por exemplo, as velocidades individuais das partículas; a medida (volume) da informação perida é a entropia
S. Em dois artigos de 1957, o físico Edwin T. Jaynes, na época na Universidade de Stanford, mostrou o seguinte: a medida de informação do sistema, chamemo-la de
S, é exatamente a fórmula de Boltzmann quando a falta de informação (no sentido de Shannon) é máxima. Dessa forma, podemos entender a entropia como sendo a medida de informação associada a um sistema de várias partículas, e o equilíbrio termodinâmico (a maximização da entropia) é alcançado quando há a menor quantidade de informação disponível sobre o sistema.
Então, o que é entropia? Um sistema físico composto por átomos seria em totalidade descrito pela posição, velocidade, momento magnético, etc., de cada átomo. Para um número muito grande de átomos, podemos ignorar essas variáveis e nos concentrar no número mínimo de variáveis coletivas do sistema como um todo: a energia total (de todas as partículas), o volume (a região do espaço ocupada por qualquer uma partícula), o número total de partículas, o campo magnético total, etc. Se mudarmos uma das variáveis, então podemos nos perguntar para onde vai o sistema? Isto é, qual o valor novo das novas variáveis? Por exemplo, se temos um gás dentro de um recipiente de volume V que não troca calor com meio externo, e então duplicarmos o volume, qual a nova temperatura? A resposta é a seguinte: o novo estado do sistema será tal que a quantidade de informação é a mínima possível (ou seja, a entropia é máxima, dados os vínculos do sistema).
Para finalizar, o conceito de informação de Shannon encontrou aplicação em outras áreas da Física também: sistemas dinâmicos, caos e complexidade, e também em computação quântica. Mas cada assunto desse é mais que um post...
Para saber mais:
- A Mathematical Theory of Communication, C. Shannon, online.
- E. T. Jaynes, Phys. Rev. 106, 620; Phys. Rev. 108, 171.
- H. Callen, Thermodynamics
- S. A. Salinas, Introdução a Física Estatística, Edusp.