Definicja entropii w nauce

Słownik chemii i fizyki Definicja entropii

Entropia jest miarą nieporządku lub losowości systemu. Obrazy PM/Getty Images

Entropia jest ważnym pojęciem w fizyce i chemia , plus dotyczy innych dyscyplin, w tym kosmologia i ekonomia. W fizyce jest częścią termodynamiki. W chemii jest to podstawowa koncepcja wChemia fizyczna.

Kluczowe dania na wynos: Entropia

• Entropia jest miarą losowości lub nieporządku systemu.
• Wartość entropii zależy od masy układu. Jest oznaczony literą S i ma jednostki dżuli na kelwin.
• Entropia może mieć wartość dodatnią lub ujemną. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, entropia układu może się zmniejszyć tylko wtedy, gdy entropia innego układu wzrasta.

Definicja entropii

Entropia jest miarą nieporządku systemu. To jest rozległa nieruchomość układu termodynamicznego, co oznacza, że ​​jego wartość zmienia się w zależności od ilości materiał to jest obecne. W równaniach entropia jest zwykle oznaczana literą S i ma jednostki dżuli na kelwin (J⋅K^-1) lub kg⋅m^dwas^-2K^-1. Wysoko uporządkowany system ma niską entropię.

Równanie i obliczanie entropii

Istnieje wiele sposobów obliczania entropii, ale dwa najczęstsze równania dotyczą odwracalnych procesów termodynamicznych i procesy izotermiczne (stała temperatura) .

Entropia procesu odwracalnego

Przy obliczaniu entropii procesu odwracalnego przyjmuje się pewne założenia. Prawdopodobnie najważniejszym założeniem jest to, że każda konfiguracja w procesie jest jednakowo prawdopodobna (a w rzeczywistości może nie być). Biorąc pod uwagę równe prawdopodobieństwo wyników, entropia równa się stałej Boltzmanna (k_B) pomnożone przez logarytm naturalny liczby możliwych stanów (W):

S = k_Bja

Stała Boltzmanna wynosi 1,38065 × 10−23 J/K.

Entropia procesu izotermicznego

Rachunek może być użyty do znalezienia całki z dQ / T od stanu początkowego do stanu końcowego, gdzie Q jest ciepło i T jest temperatura bezwzględna (w kelwinach) systemu.

Innym sposobem na stwierdzenie tego jest to, że zmiana entropii ( S ) równa się zmianie ciepła ( Q ) podzielone przez temperaturę bezwzględną ( T ):

S = Q / T

Entropia i energia wewnętrzna

W chemii fizycznej i termodynamice jedno z najbardziej użytecznych równań wiąże entropię z energią wewnętrzną (U) układu:

z = T dS - p dV

Tutaj zmiana energii wewnętrznej z równa się temperaturze bezwzględnej T pomnożone przez zmianę entropii minus ciśnienie zewnętrzne p i zmiana głośności W .

Entropia i druga zasada termodynamiki

The druga zasada termodynamiki stwierdza całkowitą entropię a zamknięty system nie może się zmniejszyć. Jednak w systemie entropia jednego systemu Móc zmniejszać się przez podniesienie entropii innego układu.

Entropia i Śmierć Cieplna Wszechświata

Niektórzy naukowcy przewidują, że entropia wszechświata wzrośnie do punktu, w którym losowość stworzy system niezdolny do użytecznej pracy. Gdy pozostanie tylko energia cieplna, wszechświat umarłby na skutek śmierci cieplnej.

Jednak inni naukowcy kwestionują teorię śmierci cieplnej. Niektórzy twierdzą, że wszechświat jako system oddala się od entropii, nawet gdy entropia wzrasta w obszarach w nim zawartych. Inni uważają wszechświat za część większego systemu. Jeszcze inni twierdzą, że możliwe stany nie mają równego prawdopodobieństwa, więc równania zwyczajne do obliczania entropii nie są ważne.

Przykład Entropii

Blok lodu wzrośnie w entropia jak topi się. Łatwo zobrazować wzrost nieporządku systemu. Lód składa się z cząsteczek wody połączonych ze sobą w sieci krystalicznej. Gdy lód topi się, cząsteczki zyskują więcej energii, rozchodzą się dalej i tracą strukturę, tworząc ciecz. Podobnie zmiana fazy z cieczy w gaz, jak z wody w parę, zwiększa energię układu.

Z drugiej strony energia może się zmniejszyć. Dzieje się tak, gdy para zmienia fazę w wodę lub gdy woda zmienia się w lód. Druga zasada termodynamiki nie jest naruszona, ponieważ materia nie znajduje się w układzie zamkniętym. Podczas gdy entropia badanego systemu może się zmniejszyć, entropia środowiska wzrasta.

Entropia i czas

Entropia jest często nazywana strzałka czasu ponieważ materia w izolowanych systemach ma tendencję do przemieszczania się od porządku do nieporządku.

Źródła

• Atkinsa, Piotra; Julio DePaula (2006). Chemia fizyczna (wyd. 8). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-870072-2.
• Chang, Raymond (1998). Chemia (wyd. 6). Nowy Jork: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-115221-1.
• Clausius, Rudolf (1850). O Motywacji Ciepła i Prawach, które można z niej wyprowadzić dla Teorii Ciepła . Poggendorffa Roczniki Physicka , 79 (Przedruk Dover). ISBN 978-0-486-59065-3.
• Landsberg, P.T. (1984). „Czy entropia i „porządek” mogą wzrosnąć razem?”. Fizyka Listy . 102A (4): 171–173. doi: 10.1016/0375-9601(84)90934-4
• Watson, J.R.; Carson, EM (maj 2002). ' Rozumienie przez studentów studiów licencjackich entropii i swobodnej energii Gibbsa . Chemia uniwersytecka . 6 (1): 4. ISSN 1369-5614