Definícia entropie vo vede

Slovník chémie a fyziky Definícia entropie

Entropia je mierou neusporiadanosti alebo náhodnosti systému. PM Images/Getty Images

Entropia je dôležitý pojem vo fyzike a chémia , plus to platí pre ďalšie disciplíny, vrátane kozmológia a ekonomika. Vo fyzike je súčasťou termodynamiky. V chémii je to základný koncept vfyzikálna chémia.

Kľúčové poznatky: Entropia

• Entropia je mierou náhodnosti alebo neusporiadanosti systému.
• Hodnota entropie závisí od hmotnosti systému. Označuje sa písmenom S a má jednotky joulov na kelvin.
• Entropia môže mať kladnú alebo zápornú hodnotu. Podľa druhého zákona termodynamiky môže entropia systému klesať iba vtedy, ak sa zvyšuje entropia iného systému.

Definícia entropie

Entropia je mierou neusporiadanosti systému. Je to rozsiahly majetok termodynamického systému, čo znamená, že jeho hodnota sa mení v závislosti od množstva záležitosť ktorý je prítomný. V rovniciach sa entropia zvyčajne označuje písmenom S a má jednotky joulov na kelvin (J⋅K⁻¹) alebo kg⋅m^dva⋅s⁻²⋅K⁻¹. Vysoko usporiadaný systém má nízku entropiu.

Entropická rovnica a výpočet

Existuje viacero spôsobov výpočtu entropie, ale dve najbežnejšie rovnice sú pre reverzibilné termodynamické procesy a izotermické procesy (konštantná teplota). .

Entropia reverzibilného procesu

Pri výpočte entropie reverzibilného procesu sa robia určité predpoklady. Pravdepodobne najdôležitejším predpokladom je, že každá konfigurácia v rámci procesu je rovnako pravdepodobná (čo v skutočnosti nemusí byť). Pri rovnakej pravdepodobnosti výsledkov sa entropia rovná Boltzmannovej konštante (k_B) vynásobené prirodzeným logaritmom počtu možných stavov (W):

S = k_Bln

Boltzmannova konštanta je 1,38065 × 10−23 J/K.

Entropia izotermického procesu

Na nájdenie integrálu sa môže použiť počet dQ / T z počiatočného stavu do konečného stavu, kde Q je teplo a T je absolútna (Kelvinova) teplota systému.

Ďalším spôsobom, ako to povedať, je, že zmena entropie ( S ) sa rovná zmene tepla ( Q ) delené absolútnou teplotou ( T ):

S = Q / T

Entropia a vnútorná energia

Vo fyzikálnej chémii a termodynamike jedna z najužitočnejších rovníc spája entropiu s vnútornou energiou (U) systému:

od = T dS - p dV

Tu je zmena vnútornej energie od rovná absolútnej teplote T vynásobené zmenou entropie mínus vonkajší tlak p a zmena objemu V .

Entropia a druhý termodynamický zákon

The druhý termodynamický zákon udáva celkovú entropiu a uzavretý systém nemôže znížiť. V rámci systému však entropia jedného systému môcť zníženie zvýšením entropie iného systému.

Entropia a tepelná smrť vesmíru

Niektorí vedci predpovedajú, že entropia vesmíru sa zvýši do bodu, keď náhodnosť vytvorí systém neschopný užitočnej práce. Keď zostane iba tepelná energia, povedalo by sa, že vesmír zomrel tepelnou smrťou.

Iní vedci však spochybňujú teóriu tepelnej smrti. Niektorí hovoria, že vesmír ako systém sa vzďaľuje od entropie, aj keď sa entropia v oblastiach v ňom zvyšuje. Iní považujú vesmír za súčasť väčšieho systému. Iní tvrdia, že možné stavy nemajú rovnakú pravdepodobnosť, takže bežné rovnice na výpočet entropie neplatia.

Príklad entropie

Zväčší sa blok ľadu entropia ako sa topí. Je ľahké si predstaviť nárast poruchy systému. Ľad pozostáva z molekúl vody, ktoré sú navzájom spojené v kryštálovej mriežke. Keď sa ľad topí, molekuly získavajú viac energie, šíria sa ďalej od seba a strácajú štruktúru, aby vytvorili kvapalinu. Podobne zmena fázy z kvapaliny na plyn, ako z vody na paru, zvyšuje energiu systému.

Na druhej strane sa energia môže znížiť. K tomu dochádza, keď para mení fázu na vodu alebo keď sa voda mení na ľad. Druhý zákon termodynamiky nie je porušený, pretože hmota nie je v uzavretom systéme. Zatiaľ čo entropia skúmaného systému môže klesať, entropia prostredia sa zvyšuje.

Entropia a čas

Entropia sa často nazýva šípka času pretože hmota v izolovaných systémoch má tendenciu prechádzať z poriadku do neporiadku.

Zdroje

• Atkins, Peter; Julio DePaula (2006). Fyzikálna chémia (8. vydanie). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-870072-2.
• Chang, Raymond (1998). Chémia (6. vydanie). New York: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-115221-1.
• Clausius, Rudolf (1850). O hybnej sile tepla ao zákonoch, ktoré z nej možno odvodiť pre teóriu tepla . Poggendorffov Annals of Physick , 79 (Dover Reprint). ISBN 978-0-486-59065-3.
• Landsberg, P.T. (1984). 'Môžu sa entropia a 'Poriadok' zvýšiť spoločne?'. Listy z fyziky . 102A (4): 171-173. doi: 10.1016/0375-9601(84)90934-4
• Watson, J.R.; Carson, E. M. (máj 2002). ' Pochopenie entropie a Gibbsovej voľnej energie vysokoškolských študentov .' Univerzitné chemické vzdelanie . 6 (1): 4. ISSN 1369-5614