entropian määritelmä

Entropia (S) on yksi termodynamiikan keskeisistä käsitteistä. Se on tilafunktio, joka mittaa järjestelmän epäjärjestystä ja mittaa myös spontaanin prosessin aikana lämpönä hävinneen energian määrää. Entropialaskelmat ovat tärkeitä eri tiedonaloilla fysiikasta, kemiasta ja biologiasta yhteiskuntatieteisiin, kuten taloustieteeseen, rahoitukseen ja sosiologiaan.

Koska sovelluksia on niin laaja, ei ole yllättävää, että entropialla on erilaisia ​​käsitteitä tai määritelmiä. Myöhemmin esitellään kaksi entropian pääkäsitettä: termodynaaminen käsite ja tilastollinen käsite.

Prosessien entropia vs. järjestelmän entropia

Entropia on termodynaamisten järjestelmien ominaisuus, joka esitetään bibliografiassa kirjaimella S. Se on tilafunktio, mikä tarkoittaa, että se on yksi niistä muuttujista, jotka mahdollistavat järjestelmän tilan määrittelyn. Lisäksi se tarkoittaa myös sitä, että se on ominaisuus, joka riippuu vain tietystä tilasta, jossa järjestelmä on, eikä siitä, kuinka järjestelmä pääsi tähän tilaan.

Tämä tarkoittaa, että kun puhumme järjestelmän entropiasta tietyssä tilassa, teemme sen samalla tavalla kuin puhuisimme järjestelmän lämpötilasta tai tilavuudesta. On kuitenkin myös yleistä laskea entropian muutos, joka tapahtuu, kun järjestelmä siirtyy tilasta toiseen. Voimme esimerkiksi laskea entropian muutoksen vesinäytteen höyrystymisestä tai hapen ja raudan välisestä kemiallisesta reaktiosta , jolloin saadaan rautaoksidia. Kaikissa näissä tapauksissa puhutaan prosessientropioista, kun todellisuudessa meidän pitäisi puhua mainittuihin prosesseihin liittyvistä entropian muutoksista.

Toisin sanoen, kun puhumme metaanikaasunäytteen entropiasta 25 °C:ssa ja 3,0 ilmakehän paineessa (jolloin kuvaamme kyseisen kaasun tiettyä tilaa), viittaamme järjestelmän entropiaan, myös kutsutaan absoluuttiseksi entropiaksi tai S.

Sen sijaan, kun puhumme kaasumaisen metaaninäytteen palamisen entropiasta 25 °C:ssa ja 3,0 ilmakehän paineessa hapen läsnä ollessa hiilidioksidin ja veden saamiseksi, puhumme prosessin entropiasta, johon liittyy muutos järjestelmän tila ja siten muutos järjestelmän entropiassa. Toisin sanoen näissä tapauksissa viittaamme entropian tai ΔS muutokseen .

Entropiaa määriteltäessä on oleellista selvittää, onko kyseessä S vai ΔS, koska ne eivät ole sama asia. Tästä huolimatta entropialla on kaksi peruskäsitettä: alkuperäinen termodynaaminen käsite ja tilastollinen käsite. Molemmat käsitteet ovat yhtä tärkeitä. Ensimmäinen siitä syystä, että se teki entropian tunnetuksi välttämättömänä muuttujana universumin kaikkien luonnollisten makroskooppisten prosessien spontaanisuuden ymmärtämiseksi (kvanttimekaniikan mikroskooppisella alalla asiat suotuvat) ja toinen siksi, että se tarjoaa meille intuitiivisen tulkinnan mitä järjestelmän entropia todella tarkoittaa.

Entropian (ΔS) termodynaaminen määritelmä

Alkuperäinen entropian käsite liittyy järjestelmän muutosprosesseihin; niissä osa sisäisestä energiasta haihtuu lämmön muodossa. Tämä tapahtuu jokaisessa luonnollisessa tai spontaanissa prosessissa ja muodostaa perustan termodynamiikan toiselle laille, joka on kiistatta yksi tieteen tärkeimmistä (ja rajoittavimmista) laeista.

Harkitse esimerkiksi tilannetta, jossa pallo vapautetaan, jotta se pomppii maahan. Kun pidämme palloa tietyllä korkeudella, sillä on tietty määrä potentiaalista energiaa. Kun vapautat pallon, se putoaa ja muuttaa potentiaalisen energian kineettiseksi energiaksi, kunnes se osuu maahan. Tällä hetkellä liike-energia kerääntyy jälleen potentiaalienergian muodossa, tällä kertaa elastisena, joka vapautuu myöhemmin pallon pomppiessa.

Ihanteellisissa olosuhteissa kaikki alkuperäinen potentiaalienergia säilyisi pomppimisen jälkeen, mikä tarkoittaisi, että pallon pitäisi pomppia takaisin alkukorkeuteen. Kuitenkin, vaikka poistaisimme ilman kokonaan (kitkan poistamiseksi), kokemus kertoo meille, että pallo ei koskaan ponnahda takaisin alkukorkeuteen, vaan menee aina alemmalle korkeudelle jokaisen pomppauksen jälkeen, kunnes se lepää maassa.

On ilmeistä, että pallon toistuva pomppiminen maahan päätyy täysin hajaamaan kaiken potentiaalisen energian, joka esineellä oli pienen kokeemme alussa. Tämä johtuu siitä, että joka kerta kun pallo pomppii, se siirtää osan energiastaan ​​maahan lämmön muodossa, joka puolestaan ​​​​hajoaa satunnaisesti maata pitkin.

Termodynamiikassa entropia tai pikemminkin entropian muutos määritellään järjestelmän palautuvan muutoksen aikana vapauttamaksi tai absorboituneeksi lämmöksi jaettuna absoluuttisella lämpötilalla. Tarkoittaen:

Tämä määritelmä edustaa entropian äärettömän pientä vaihtelua minkä tahansa tyyppisessä prosessissa, joka suoritetaan reversiibelisti, toisin sanoen äärettömän hitaasti. Saadaksemme todellisen ja mitattavissa olevan muutoksen entropian meidän on integroitava tämä lauseke:

Koska entropia on tilan funktio, edellinen lauseke tarkoittaa, että järjestelmän entropian vaihtelu minkä tahansa alkutilan ja minkä tahansa lopputilan välillä voidaan löytää etsimällä käännettävä polku molempien tilojen välillä ja integroimalla edellinen lauseke. Isotermisen muunnoksen yksinkertaisimmassa tapauksessa integroitu entropia tulee:

Entropian (S) tilastollinen määritelmä

Itävaltalainen teoreettinen fyysikko Ludwig Boltzmann on kuuluisa lukemattomista panoksestaan ​​tieteeseen, mutta pääasiassa entropian tilastollisesta tulkinnastaan. Boltzmann päätteli suhteen entropian ja tavan, jolla molekyylit jakautuvat eri energiatasoilla tietyssä lämpötilassa, välillä. Tämä jakauma, jota kutsutaan Boltzmann-jakaumaksi, ennustaa, että tietyssä energiatilassa olevien molekyylien populaatio tietyssä lämpötilassa pienenee eksponentiaalisesti tilan energiatason mukana. Myös korkeammissa lämpötiloissa suurempi määrä energiatiloja on käytettävissä.

Nämä ja muut lisähavainnot on tiivistetty yhtälössä, joka nykyään kantaa hänen nimeään, eli Boltzmannin yhtälössä:

Tässä yhtälössä S edustaa järjestelmän entropiaa tietyssä tilassa ja W edustaa saman mikrotilojen lukumäärää ja k _B on suhteellisuusvakio, jota kutsutaan Boltzmannin vakioksi. Nämä mikrotilat koostuvat erilaisista tavoista, joilla järjestelmän muodostavat atomit ja molekyylit voidaan järjestää pitäen järjestelmän kokonaisenergian vakiona.

Mikrotilojen lukumäärä yhdistetään perinteisesti järjestelmän häiriötasoon. Ymmärtääksemme miksi, harkitsemme laatikkoa, jossa säilytämme suuren määrän sukkia. Sukkien väri voidaan yhdistää energiatasoon, jolla ne ovat. Näin ollen Boltzmann-jakauma ennustaa, että riittävän alhaisissa lämpötiloissa käytännöllisesti katsoen kaikki sukat ovat yksivärisiä (matalin energiatilaa vastaava). Tässä tapauksessa, riippumatta siitä, kuinka tilaamme sukat, lopputulos on aina sama (koska ne ovat kaikki samanlaisia). joten on vain yksi mikrotila (W = 1).

Kuitenkin kun nostamme lämpötilaa, osa näistä sukista muuttuu toiseen väriin. Vaikka vain yksi sukkapari vaihtaisi väriä (siirtyy toiseen energiatilaan), se tosiasia, että mikä tahansa sukista voi muuttaa väriä, tarkoittaa, että monia erilaisia ​​mikrotiloja voi olla. Kun lämpötila nousee ja osavaltiot alkavat asua, laatikkoon ilmestyy yhä enemmän sukkavärejä, mikä lisää huomattavasti mahdollisten mikrotilojen määrää, mikä puolestaan ​​saa laatikon näyttämään sotkulta.

Koska yllä oleva yhtälö ennustaa, että entropia kasvaa mikrotilojen määrän kasvaessa, eli kun järjestelmä muuttuu epäjärjestyneeksi, Boltzmannin yhtälö määrittelee entropian järjestelmän epäjärjestyksen mittana .

entropian yksiköitä

Riippuen jommastakummasta kahdesta esitetystä määritelmästä voidaan määrittää, että entropialla on yksikköä energiaa yli lämpötilan. Tarkoittaen,

Riippuen yksikköjärjestelmästä, jossa työskentelet, nämä yksiköt voivat olla:

Viitteet

Atkins, P. ja dePaula, J. (2010). Atkins. Physical Chemistry (8. ^painos ). Panamerican Medical Editorial.

Boghiu, CE (2018, 5. helmikuuta). Tieto ja entropia, todennäköisyyspohjainen lähestymistapa . Kansallinen fysiikan opiskelijoiden yhdistys. https://nusgrem.es/informacion-entropia-probabilidad/

Chang, R. (2002). Fysikaalinen kemia (1. ^painos ). MCGRAW HILLIN KOULUTUS.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS ja Herranz, ZR (2020). Kemia (10. ^painos ). McGraw-Hill koulutus.

Connor, N. (2020, 14. tammikuuta). Mikä on entropian yksikkö? määritelmä . Lämpötekniikka. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-unit-of-entropy-definition/

AGB lukio. (nd). ENTROPIA – LUDWIG BOLTZMANN . Liceoagb.es. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo12.html

KATSO. (nd). Johdetut yksiköt – Termodynamiikka . Industrial Verifications of Andalusia, SA https://www.veiasa.es/metrologia/utilidades/unidades_derivadas/termodinamica