Co to jest entropia i jak ją obliczyć

Znaczenie entropii w fizyce

Entropia jest miarą losowości lub nieporządku systemu. Atomowe obrazy/Getty Images

Entropia jest definiowana jako ilościowa miara nieporządku lub losowości w systemie. Pomysł wychodzi z termodynamika , która zajmuje się transferem energia cieplna w ramach systemu. Zamiast mówić o jakiejś formie „entropii absolutnej”, fizycy na ogół omawiają zmianę entropii zachodzącą w określonym proces termodynamiczny .

Kluczowe wnioski: obliczanie entropii

• Entropia jest miarą prawdopodobieństwa i molekularnego zaburzenia układu makroskopowego.
• Jeśli każda konfiguracja jest jednakowo prawdopodobna, to entropia jest logarytmem naturalnym liczby konfiguracji pomnożonym przez stałą Boltzmanna: S = k_Bja
• Aby entropia się zmniejszyła, musisz przenieść energię spoza systemu.

Jak obliczyć entropię

W ciągu proces izotermiczny , zmiana entropii (delta- S ) to zmiana ciepła ( Q ) podzielone przez temperatura absolutna ( T ):

delta- S = Q / T

W każdym odwracalnym procesie termodynamicznym można go przedstawić w rachunku różniczkowym jako całkę od stanu początkowego procesu do jego stanu końcowego dQ / T. W bardziej ogólnym sensie entropia jest miarą prawdopodobieństwa i molekularnego zaburzenia układu makroskopowego. W systemie, który można opisać zmiennymi, zmienne te mogą przyjmować określoną liczbę konfiguracji. Jeśli każda konfiguracja jest jednakowo prawdopodobna, to entropia jest logarytmem naturalnym liczby konfiguracji pomnożonym przez stałą Boltzmanna:

S = k_Bja

gdzie S jest entropią, k_Bjest stałą Boltzmanna, ln jest logarytmem naturalnym, a W reprezentuje liczbę możliwych stanów. stała Boltzmanna jest równa 1.38065 × 10²³J/K.

Jednostki entropii

Entropia jest uważana za rozległą właściwość materii wyrażoną w postaci energii podzielonej przez temperaturę. The Jednostki SI entropii to J/K (dżule/stopnie Kelwina).

Entropia i druga zasada termodynamiki

Jednym ze sposobów na stwierdzenie druga zasada termodynamiki wygląda następująco: w dowolnym zamknięty system , entropia systemu albo pozostanie stała, albo wzrośnie.

Możesz to zobaczyć w następujący sposób: dodanie ciepła do systemu powoduje przyspieszenie cząsteczek i atomów. Może być możliwe (choć trudne) odwrócenie procesu w zamkniętym systemie bez pobierania energii z lub uwalniania energii gdzie indziej, aby osiągnąć stan początkowy. Nigdy nie można sprawić, by cały system był „mniej energetyczny” niż na początku. Energia nie ma dokąd pójść. W przypadku procesów nieodwracalnych łączna entropia systemu i jego otoczenia zawsze wzrasta.

Błędne wyobrażenia o entropii

Ten pogląd na drugą zasadę termodynamiki jest bardzo popularny i był nadużywany. Niektórzy twierdzą, że druga zasada termodynamiki oznacza, że ​​system nigdy nie może stać się bardziej uporządkowany. To nieprawda. Oznacza to po prostu, że aby stać się bardziej uporządkowanym (aby entropia się zmniejszyła), musisz przenieść energię spoza systemu, na przykład gdy kobieta w ciąży czerpie energię z pożywienia, aby spowodować uformowanie się zapłodnionego jaja w dziecko. Jest to całkowicie zgodne z przepisami drugiej ustawy.

Entropia jest również znana jako nieporządek, chaos i losowość, chociaż wszystkie trzy synonimy są nieprecyzyjne.

Entropia absolutna

Pokrewnym terminem jest „entropia absolutna”, oznaczana przez S zamiast S . Entropia absolutna jest zdefiniowana zgodnie z trzecią zasadą termodynamiki. Tutaj stosowana jest stała, która sprawia, że ​​entropia przy zera absolutnym jest zdefiniowana jako zero.