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La termodinamica è la branca della fisica classica e della chimica che studia e descrive le trasformazioni termodinamiche indotte da calore a lavoro e viceversa in un sistema termodinamico, in seguito a processi che coinvolgono cambiamenti delle variabili di stato temperatura ed energia. La termodinamica classica si basa sul concetto di sistema macroscopico, ovvero una porzione di massa fisicamente o concettualmente separata dall'ambiente esterno, che spesso per comodità si assume non perturbato dallo scambio di energia con il sistema (sistema isolato): lo stato di un sistema macroscopico che si trova in condizione di equilibrio è specificato da grandezze dette variabili termodinamiche o funzioni di stato come temperatura, pressione, volume e composizione chimica. Le principali notazioni in termodinamica chimica sono state stabilite dalla unione internazionale di chimica pura e applicata. Tuttavia esiste una branca della termodinamica, denominata termodinamica del non equilibrio che studia i processi termodinamici caratterizzati dal mancato raggiungimento di condizioni di equilibrio stabile.

Il secondo principio della termodinamica è un principio della termodinamica secondo il quale molti eventi termodinamici, come ad esempio il passaggio di calore da un corpo caldo ad un corpo freddo, sono irreversibili. A differenza di altre leggi fisiche quali la legge di gravitazione universale o le equazioni di Maxwell, il secondo principio è fondamentalmente legato alla freccia del tempo. Il secondo principio della termodinamica possiede diverse formulazioni equivalenti, delle quali una si fonda sull'introduzione di una funzione di stato, l'entropia: in questo caso il secondo principio asserisce che l'entropia di un sistema isolato lontano dall'equilibrio termico tende ad aumentare nel tempo, finché l'equilibrio non è raggiunto. In meccanica statistica, classica e quantistica, si definisce l'entropia a partire dal volume nello spazio delle fasi occupato dal sistema in maniera da soddisfare automaticamente (per costruzione) il secondo principio.

Nella teoria dell'informazione l'entropia di una sorgente di messaggi è l'informazione media contenuta in ogni messaggio emesso. L'informazione contenuta in un messaggio è tanto più grande quanto meno probabile era. Un messaggio scontato, che ha un'alta probabilità di essere emesso dalla sorgente contiene poca informazione, mentre un messaggio inaspettato, poco probabile contiene una grande quantità di informazione. L'entropia di una sorgente risponde a domande come: qual è il numero minimo di bit che servono per memorizzare in media un messaggio della sorgente? Quanto sono prevedibili i messaggi emessi dalla sorgente? Si è dimostrato che una sequenza di messaggi emessi da una sorgente può essere compressa senza perdita d'informazione fino ad un numero minimo di bit per messaggio uguale all'entropia della sorgente. Una sequenza di lettere come aaaaaaaa possiede meno entropia di una parola come alfabeto la quale a sua volta possiede ancora meno entropia di una stringa completamente casuale come j3s0vek3. L'entropia può essere vista come la casualità contenuta in una stringa, ed è strettamente collegata al numero minimo di bit necessari per rappresentarla senza errori.

L'entanglement quantistico, o correlazione quantistica, è un fenomeno quantistico, privo di analogo classico, per cui in determinate condizioni due o più sistemi fisici rappresentano sottosistemi di un sistema più ampio, il cui stato quantico non è descrivibile singolarmente, ma solo come sovrapposizione di più stati. Da ciò consegue che la misura di un'osservabile di un sistema (sottosistema) determini simultaneamente il valore anche per gli altri. Poiché risulta possibile dal punto di vista sperimentale che tali sistemi (sottosistemi) si trovino spazialmente separati, l'entanglement implica in modo controintuitivo la presenza di correlazioni a distanza, teoricamente senza alcun limite, tra le loro quantità fisiche, determinando il carattere non locale della teoria. Il termine entanglement (letteralmente, in inglese, "groviglio", "intreccio") fu introdotto da Erwin Schrödinger in una recensione del famoso articolo sul paradosso EPR, che nel 1935 rivelò a livello teorico il fenomeno.