Entropia on tärkeä käsite fysiikassa ja kemia, plus sitä voidaan soveltaa muihin tieteenaloihin, mukaan lukien kosmologia ja taloustiede. Fysiikassa se on osa termodynamiikkaa. Kemiassa se on ydinkonsepti fysikaalinen kemia.
Keskeiset takeet: Entropia
- Entropia on järjestelmän satunnaisuuden tai häiriön mitta.
- Entropian arvo riippuu järjestelmän massasta. Sitä merkitään kirjaimella S ja siinä on jouleyksikköä kelviniä kohti.
- Entropialla voi olla positiivinen tai negatiivinen arvo. Termodynamiikan toisen lain mukaan järjestelmän entroopia voi vähentyä vain, jos toisen järjestelmän entropia kasvaa.
Entropian määritelmä
Entropia on järjestelmän häiriön mitta. Se on laaja omaisuus termodynaamisen järjestelmän arvo, mikä tarkoittaa, että sen arvo muuttuu määrästä riippuen asia se on läsnä. Yhtälöissä entropiaa merkitään yleensä kirjaimella S ja on yksiköitä joulea kelviniä kohti (J⋅K−1) tai kg⋅m2⋅s−2⋅K−1. Erittäin tilatussa järjestelmässä on alhainen entropia.
Entropiayhtälö ja laskenta
Entropiaa voidaan laskea monella tapaa, mutta kaksi yleisintä yhtälöä ovat palautuville termodynaamisille prosesseille ja
isotermiset (vakio lämpötila) prosessit.Käännettävän prosessin entroopia
Palautettavan prosessin entropiaa laskettaessa tehdään tiettyjä oletuksia. Todennäköisesti tärkein oletus on, että jokainen prosessin kokoonpano on yhtä todennäköinen (mitä se ei välttämättä ole). Kun lopputulos on yhtä todennäköinen, entropia on yhtä suuri kuin Boltzmannin vakio (kB) kerrottuna mahdollisten tilojen lukumäärän luonnollisella logaritmilla (W):
S = kB W.
Boltzmannin vakio on 1,38065 × 10-23 J / K.
Isotermisen prosessin entroopia
Laskentaa voidaan käyttää integraalin löytämiseen dQ/T alkutilasta lopputilaan, missä Q on lämpöä ja T on absoluuttinen (kelvin) lämpötila järjestelmän.
Toinen tapa sanoa tämä on, että entropian muutos (AS) on yhtä suuri kuin lämmönmuutos (AQ) jaettuna absoluuttisella lämpötilalla (T):
AS = AQ / T
Entropia ja sisäinen energia
Fysikaalisessa kemiassa ja termodynamiikassa yksi hyödyllisimmistä yhtälöistä liittyy entropiaan järjestelmän sisäiseen energiaan (U):
dU = T dS - p dV
Tässä muutos sisäisessä energiassa dU on yhtä suuri kuin absoluuttinen lämpötila T kerrottuna entropian muutoksella vähennettynä ulkoisella paineella p ja äänenvoimakkuuden muutos V.
Entropia ja termodynamiikan toinen laki
termodynamiikan toinen laki ilmaisee a: n kokonais entropian suljettu järjestelmä ei voi vähentyä. Kuitenkin järjestelmän sisällä, yhden järjestelmän entroopia voida vähenee nostamalla toisen järjestelmän entrooppiaa.
Universumin entropia ja lämpökuolema
Jotkut tutkijat ennustavat maailmankaikkeuden entropian kasvavan pisteeseen, jossa satunnaisuus luo järjestelmän, joka ei kykene hyödylliseen työhön. Kun jäljellä on vain lämpöenergiaa, maailmankaikkeuden sanotaan kuolleen lämpökuolemasta.
Muut tutkijat kiistävät kuitenkin lämpökuoleman teorian. Jotkut sanovat, että maailmankaikkeus systeeminä siirtyy kauempana entropiasta, jopa sen sisällä olevien alueiden lisääntyessä entropiaa. Toiset pitävät maailmankaikkeutta osana suurempaa järjestelmää. Vielä toiset sanovat, että mahdollisilla tiloilla ei ole yhtä todennäköisyyttä, joten tavalliset yhtälöt entropian laskemiseksi eivät pidä voimassa.
Esimerkki entropiasta
Jääpala lisääntyy vuonna haje kun se sulaa. Järjestelmän häiriöiden lisääntyminen on helppo visualisoida. Jää koostuu vesimolekyyleistä, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa kidehilassa. Kun jää sulaa, molekyylit saavat enemmän energiaa, leviävät edelleen toisistaan ja menettävät rakenteen nesteeksi. Samoin vaihemuutos nesteestä kaasuksi, vedestä höyryksi, lisää järjestelmän energiaa.
Kääntöpuolella energia voi vähentyä. Tämä tapahtuu, kun höyry muuttaa vaiheen veteen tai veden muuttuessa jääksi. Termodynamiikan toista lakia ei rikota, koska asia ei ole suljetussa järjestelmässä. Vaikka tutkittavan järjestelmän entropia saattaa vähentyä, ympäristön entroopia kasvaa.
Entropia ja aika
Entropiaa kutsutaan usein ajan nuoli koska eristetyissä järjestelmissä aineella on taipumus siirtyä järjestyksestä häiriöön.
Lähteet
- Atkins, Peter; Julio De Paula (2006). Fysikaalinen kemia (8. painos). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-870072-2.
- Chang, Raymond (1998). Kemia (6. painos). New York: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-115221-1.
- Clausius, Rudolf (1850). Lämmön motiivista voimasta ja laeista, jotka voidaan päätellä siitä lämmön teoriaa varten. Poggendorff n Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 978-0-486-59065-3.
- Landsberg, P.T. (1984). "Voivatko entropia ja" järjestys "kasvaa yhdessä?" Fysiikan kirjeet. 102A (4): 171–173. doi:10.1016/0375-9601(84)90934-4
- Watson, J.R.; Carson, E. M. (toukokuu 2002). "Opiskelijoiden ymmärtäminen entropiasta ja Gibbsin vapaasta energiasta." Yliopiston kemian koulutus. 6 (1): 4. ISSN 1369-5614