Определение энтропии в науке

Энтропия – важное понятие в физике и химии, плюс его можно применять к другим дисциплинам, включая космологию и экономику. В физике это часть термодинамики. В химии это основная концепция физической химии.

Определение энтропии

Энтропия – это мера неупорядоченности системы. Это обширное свойство термодинамической системы, что означает, что его значение изменяется в зависимости от количества присутствующего вещества. В уравнениях энтропия обычно обозначается буквой S и измеряется в джоулях на кельвин (J⋅K ⁻¹ ) или kg⋅m ² ⋅s. ⁻² ⋅K ⁻¹ . Высокоупорядоченная система имеет низкую энтропию.

Уравнение и вычисление энтропии

Существует несколько способов вычисления энтропии, но два наиболее распространенные уравнения предназначены для обратимых термодинамических процессов и изотермических (при постоянной температуре) процессов.

Энтропия обратимого процесса

При вычислении энтропии обратимого процесса делаются некоторые допущения. Вероятно, наиболее важным предположением является то, что каждая конфигурация в рамках процесса равновероятна (чего на самом деле может не быть). При равной вероятности исходов энтропия равна постоянной Больцмана (k _B ), умноженной на натуральный логарифм количества возможных состояний (W):

S = k _B ln W

Постоянная Больцмана составляет 1,38065 × 10-23 Дж/К .

Энтропия изотермического процесса

Исчисление можно использовать для нахождения интеграла dQ / T от начального состояния до конечного состояния, где Q – тепло, а T – абсолютная (кельвиновская) температура системы..

Другой способ заявить об этом состоит в том, что изменение энтропии ( ΔS ) равно изменению тепла ( ΔQ ), деленная на абсолютную температуру ( T ):

ΔS = ΔQ / T

Энтропия и внутренняя энергия

В физической химии и термодинамике одно из наиболее полезных уравнений связывает энтропию с внутренней энергией (U) системы:

dU = T dS – p dV

Здесь изменение внутренней энергии dU равно абсолютной температуре T умноженное на изменение энтропии за вычетом внешнего давления p и изменение объема V.

Энтропия и второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Однако внутри системы энтропия одной системы может уменьшиться за счет увеличения энтропии другой системы.

Энтропия и тепловая смерть Вселенной

Некоторые ученые предсказывают, что энтропия Вселенной увеличится до такой степени, что случайность создаст систему, неспособную к полезной работе. Когда осталась только тепловая энергия, можно было бы сказать, что Вселенная умерла от тепловой смерти.

Однако другие ученые оспаривают теорию тепловой смерти. Некоторые говорят, что Вселенная как система все дальше отдаляется от энтропии, даже когда энтропия в ее областях увеличивается. Другие считают Вселенную частью более крупной системы. Третьи говорят, что возможные состояния не имеют равной вероятности, поэтому обычные уравнения для вычисления энтропии не верны.

Пример энтропии

Энтропия ледяной глыбы будет увеличиваться по мере таяния. Легко представить себе увеличение беспорядка в системе. Лед состоит из молекул воды, связанных друг с другом в кристаллической решетке. По мере таяния льда молекулы получают больше энергии, расходятся дальше друг от друга и теряют структуру, образуя жидкость. Точно так же фазовый переход от жидкости к газу, как от воды к пару, увеличивает энергию системы.

С другой стороны, энергия может снижаться. Это происходит, когда пар превращается из фазы в воду или когда вода превращается в лед. Второй закон термодинамики не нарушается, потому что дело не в замкнутой системе. В то время как энтропия изучаемой системы может уменьшаться, энтропия окружающей среды увеличивается.

Энтропия и время

Энтропия часто бывает называется стрелой времени, потому что материя в изолированных системах имеет тенденцию двигаться от порядка к беспорядку.

Источники

• Аткинс, Питер; Хулио де Паула (2006). Физическая химия (8-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-870072-2.
• Чанг, Раймонд (1998). Химия (6-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу Хилл. ISBN 978-0-07-115221-1.
• Клаузиус, Рудольф (1850 г.). О движущей силе тепла и о законах, которые могут быть выведены из нее для теории тепла . Annalen der Physick Поггендорфа, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 978-0-486-59065-3.
• Ландсберг, П.Т. (1984). «Могут ли энтропия и« порядок »расти вместе?». Письма по физике . 102А (4): 171–173. DOI: 10.1016/0375-9601 (84) 90934-4
• Watson, J.R .; Карсон, Э.М. (май 2002 г.). «Понимание студентами энтропии и свободной энергии Гиббса». Университетское химическое образование . 6 (1): 4. ISSN 1369-5614