Τι είναι η Εντροπία;

Η εντροπία είναι μια σημαντική έννοια στη φυσική και χημεία, και μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλους κλάδους, μεταξύ των οποίων κοσμολογία και οικονομικά. Στη φυσική, είναι μέρος της θερμοδυναμικής. Στη χημεία, είναι μια βασική έννοια στο φυσική χημεία.

Βασικά μαγαζιά: Εντροπία

Η εντροπία είναι το μέτρο της διαταραχής ενός συστήματος. Είναι ένα εκτεταμένη ιδιοκτησία ενός θερμοδυναμικού συστήματος, το οποίο σημαίνει ότι η τιμή του αλλάζει ανάλογα με την ποσότητα του ύλη που είναι παρούσα. Στις εξισώσεις, η εντροπία συνήθως υποδηλώνεται με το γράμμα S και έχει μονάδες των joules ανά κελβίνο (JK⁻¹) ή kg⋅m²⋅s⁻²⋅K⁻¹. Ένα ιδιαίτερα διατεταγμένο σύστημα έχει χαμηλή εντροπία.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι για τον υπολογισμό της εντροπίας, αλλά οι δύο πιο συνηθισμένες εξισώσεις είναι για αναστρέψιμες θερμοδυναμικές διαδικασίες και διεργασίες ισοθερμικής (σταθερής θερμοκρασίας).

Εντροπία μιας αναστρέψιμης διαδικασίας

Ορισμένες υποθέσεις λαμβάνονται κατά τον υπολογισμό της εντροπίας μιας αναστρέψιμης διαδικασίας. Πιθανώς η πιο σημαντική παραδοχή είναι ότι κάθε διαμόρφωση μέσα στη διαδικασία είναι εξίσου πιθανή (πράγμα που μπορεί να μην είναι στην πραγματικότητα). Δεδομένης της ίσης πιθανότητας των αποτελεσμάτων, η εντροπία ισούται με τη σταθερά του Boltzmann (k_σι) πολλαπλασιασμένο με τον φυσικό λογάριθμο του αριθμού των πιθανών καταστάσεων (W):

S = k_σι Στο W

Η σταθερά του Boltzmann είναι 1,38065 × 10-23 J / K.

Εντροπία μιας ισοθερμικής διαδικασίας

Ο υπολογισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθεί το ολοκλήρωμα του dQ/Τ από την αρχική κατάσταση στην τελική κατάσταση, όπου Q είναι θερμότητα και Τ είναι το απόλυτη (Kelvin) θερμοκρασία ενός συστήματος.

Ένας άλλος τρόπος να δηλωθεί αυτό είναι ότι η αλλαγή στην εντροπία (ΔS) ισούται με τη μεταβολή της θερμότητας (ΔQ) διαιρούμενο με την απόλυτη θερμοκρασία (Τ):

ΔS = ΔQ / Τ

Εντροπία και Εσωτερική Ενέργεια

Στη φυσική χημεία και τη θερμοδυναμική, μία από τις πιο χρήσιμες εξισώσεις αφορά την εντροπία στην εσωτερική ενέργεια (U) ενός συστήματος:

dU = T dS - p dV

Εδώ, η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια dU ισούται με την απόλυτη θερμοκρασία Τ πολλαπλασιάζεται με την αλλαγή στην εντροπία μείον την εξωτερική πίεση Π και την αλλαγή της έντασης V.

ο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής δηλώνει τη συνολική εντροπία του a κλειστό σύστημα δεν μπορεί να μειωθεί. Εντούτοις, μέσα σε ένα σύστημα, η εντροπία ενός συστήματος μπορώ με την αύξηση της εντροπίας ενός άλλου συστήματος.

Μερικοί επιστήμονες προβλέπουν ότι η εντροπία του σύμπαντος θα αυξηθεί στο σημείο όπου η τυχαιότητα δημιουργεί ένα σύστημα ανίκανο για χρήσιμη εργασία. Όταν παραμένει μόνο η θερμική ενέργεια, το σύμπαν θα λέγεται ότι έχει πεθάνει από θερμό θανάσιμο.

Ωστόσο, άλλοι επιστήμονες αμφισβητούν τη θεωρία θέρμανσης θανάτου. Κάποιοι λένε ότι το σύμπαν σαν ένα σύστημα κινείται πιο μακριά από την εντροπία ακόμη και καθώς οι περιοχές μέσα του αυξάνουν την εντροπία. Άλλοι θεωρούν το σύμπαν ως μέρος ενός μεγαλύτερου συστήματος. Ακόμη άλλοι λένε ότι οι πιθανές καταστάσεις δεν έχουν την ίδια πιθανότητα, έτσι οι συνηθισμένες εξισώσεις για τον υπολογισμό της εντροπίας δεν είναι έγκυρες.

Ένα μπλοκ πάγου θα αυξηθεί η εντροπία καθώς λιώνει. Είναι εύκολο να απεικονίσετε την αύξηση της διαταραχής του συστήματος. Ο πάγος αποτελείται από μόρια νερού συνδεδεμένα μεταξύ τους σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Καθώς λιώνει ο πάγος, τα μόρια αποκτούν περισσότερη ενέργεια, εξαπλώνονται πιο μακριά και χάνουν τη δομή για να σχηματίσουν ένα υγρό. Ομοίως, η αλλαγή φάσης από ένα υγρό σε ένα αέριο, από το νερό σε ατμό, αυξάνει την ενέργεια του συστήματος.

Από την άλλη, η ενέργεια μπορεί να μειωθεί. Αυτό συμβαίνει όταν ο ατμός αλλάζει φάση σε νερό ή όταν το νερό αλλάζει σε πάγο. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν παραβιάζεται διότι το θέμα δεν βρίσκεται σε κλειστό σύστημα. Ενώ η εντροπία του υπό μελέτη συστήματος μπορεί να μειωθεί, αυτό του περιβάλλοντος αυξάνεται.

Η εντροπία ονομάζεται συχνά βέλος του χρόνου επειδή η ύλη σε απομονωμένα συστήματα τείνει να μετακινηθεί από τάξη σε διαταραχή.

• Atkins, Peter; Τζούλιο Ντε Πάουλα (2006). Φυσική χημεία (8η έκδοση). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-870072-2.
• Chang, Raymond (1998). Χημεία (6η έκδ.). Νέα Υόρκη: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-115221-1.
• Clausius, Rudolf (1850). Για την κινητήρια δύναμη της θερμότητας, και για τους νόμους που μπορούν να εξαχθούν από αυτήν για τη θεωρία της θερμότητας. Το Poggendorff's Annalen der Physick, LXXIX (Επανεκτύπωση Dover). ISBN 978-0-486-59065-3.
• Landsberg, Ρ.Τ. (1984). "Μπορεί η Εντροπία και η" Παραγγελία "να αυξηθούν μαζί;". Φυσικά γράμματα. 102Α (4): 171-173. doi:10.1016/0375-9601(84)90934-4
• Watson, J.R.; Carson, ΕΜ (Μάιος 2002). "Οι κατανοήσεις των προπτυχιακών φοιτητών για την εντροπία και την ελεύθερη ενέργεια του Gibbs." Πανεπιστημιακή εκπαίδευση χημείας. 6 (1): 4. ISSN 1369-5614