Tabla de Contenidos
Az entrópia (S) a termodinamika egyik központi fogalma. Ez egy állapotfüggvény, amely egy rendszer rendezetlenségét méri, és egyben a spontán folyamat során hőként disszipált energia mennyiségét is. Az entrópiaszámítások a tudás különböző területein fontosak, a fizikától, a kémiától és a biológiától kezdve a társadalomtudományokig, mint a közgazdaságtan, a pénzügy és a szociológia.
Az alkalmazások ilyen sokfélesége miatt nem meglepő, hogy az entrópia különböző fogalmak vagy definíciók léteznek. Később az entrópia két fő fogalmát mutatjuk be: a termodinamikai és a statisztikai fogalmat.
A folyamatok entrópiája a rendszer entrópiájával szemben
Az entrópia a termodinamikai rendszerek olyan tulajdonsága, amelyet a bibliográfiában S betűvel ábrázolunk. Ez egy állapotfüggvény, ami azt jelenti, hogy egyike azoknak a változóknak, amelyek lehetővé teszik egy rendszer állapotának meghatározását. Ezenkívül ez azt is jelenti, hogy ez egy olyan tulajdonság, amely csak attól függ, hogy a rendszer milyen állapotban van, és nem attól, hogy a rendszer hogyan jutott ebbe az állapotba.
Ez azt jelenti, hogy amikor egy bizonyos állapotú rendszer entrópiájáról beszélünk, akkor azt ugyanúgy tesszük, mint a rendszer hőmérsékletéről vagy térfogatáról. Gyakori azonban az entrópiaváltozás kiszámítása is, amely akkor következik be, amikor egy rendszer egyik állapotból a másikba kerül. Például kiszámíthatjuk az entrópia változását egy vízminta elpárologtatásából, vagy az oxigén és a vas közötti kémiai reakcióból, amely vas-oxidot eredményez. Ezen esetek bármelyikében folyamatentrópiákról beszélünk, holott a valóságban az említett folyamatokhoz kapcsolódó entrópiaváltozásokról kellene beszélnünk.
Más szóval, amikor egy metángáz mintájának entrópiájáról beszélünk 25 °C-on és 3,0 atmoszféra nyomáson (ebben az esetben a gáz adott állapotát írjuk le), akkor a rendszer entrópiájára utalunk, abszolút entrópiának vagy S-nek nevezzük.
Ehelyett, amikor egy gázhalmazállapotú metánminta 25 °C-on és 3,0 atmoszférájú nyomáson oxigén jelenlétében történő elégetésének entrópiájáról beszélünk szén-dioxid és víz előállításához, akkor egy olyan folyamat entrópiájáról beszélünk, amely a metán összetételének változásával jár . a rendszer állapota és ezért a rendszer entrópiájának változása. Más szavakkal, ezekben az esetekben az entrópia vagy ΔS változására utalunk .
Az entrópia meghatározásakor feltétlenül tisztázni kell, hogy S-ről vagy ΔS-ről beszélünk, mivel ezek nem ugyanazok. Ennek ellenére az entrópiának két alapfogalma van: az eredeti termodinamikai koncepció és a statisztikai koncepció. Mindkét fogalom egyformán fontos. Az elsőt azért, mert az entrópiát mint nélkülözhetetlen változót tette ismertté az univerzum összes természetes makroszkopikus folyamatának spontaneitásának megértéséhez (a kvantummechanika mikroszkópos területén a dolgok kissé elmocsarasodnak), a második pedig azért, mert intuitív értelmezést biztosít számunkra mit jelent valójában egy rendszer entrópiája.
Az entrópia termodinamikai meghatározása (ΔS)
Az entrópia eredeti fogalma a rendszer változási folyamataihoz kapcsolódik; bennük a belső energia egy része hő formájában eloszlik. Ez minden természetes vagy spontán folyamatban megtörténik , és a termodinamika második főtételének alapját képezi, amely vitathatatlanul az egyik legfontosabb (és korlátozó) törvény a tudományban.
Vegyük például azt az esetet, amikor elengedünk egy labdát, hogy az a földön pattanjon. Ha egy labdát egy bizonyos magasságban tartunk, akkor bizonyos mennyiségű potenciális energiája van. Amikor elengeded a labdát, az leesik, és a potenciális energiát kinetikus energiává alakítja, amíg a földet nem éri. Ebben a pillanatban a mozgási energia ismét felhalmozódik potenciális energia formájában, ezúttal rugalmas, amely később felszabadul, amikor a labda visszapattan.
Ideális körülmények között az összes kezdeti potenciális energia megmaradna a visszapattanás után, ami azt jelentené, hogy a labda vissza kell pattannia a kezdeti magasságba. Azonban még ha teljesen eltávolítjuk is a levegőt (a súrlódás kiküszöbölése érdekében), a tapasztalatok azt mutatják, hogy a labda soha nem pattan vissza a kezdeti magasságba, hanem minden visszapattanás után egyre lejjebb megy, amíg meg nem nyugszik a talajon.
Nyilvánvaló, hogy a labda ismételt felpattanása a földön végül teljesen eloszlatja az összes potenciális energiát, amellyel a tárgy rendelkezett kis kísérletünk kezdetén. Ez azért van így, mert minden alkalommal, amikor a labda visszapattan, energiájának egy részét hő formájában a talajra adja, ami viszont véletlenszerűen szétszóródik maga a talaj mentén.
A termodinamikában az entrópia, vagy inkább az entrópia változása a rendszer által reverzibilis átalakulás során felszabaduló vagy elnyelt hő osztva az abszolút hőmérséklettel. Vagyis:
Ez a definíció egy tetszőleges típusú folyamat entrópiájának végtelenül kicsi variációját jelenti, amely reverzibilisen, azaz végtelenül lassan megy végbe. Ahhoz, hogy egy valós és mérhető változás entrópiáját megkapjuk, integrálnunk kell ezt a kifejezést:
Mivel az entrópia az állapot függvénye, az előző kifejezés azt jelenti, hogy egy rendszer entrópiaváltoztatása bármely kezdeti állapot és bármely végső állapot között megtalálható úgy, hogy keresünk egy reverzibilis utat a két állapot között, és integráljuk az előző kifejezést. Az izoterm transzformáció legegyszerűbb esetére az integrált entrópia a következő lesz:
Az entrópia statisztikai meghatározása (S)
Ludwig Boltzmann osztrák elméleti fizikus a tudományhoz való számtalan hozzájárulásáról híres, de főként az entrópia statisztikai értelmezéséről. Boltzmann összefüggést mutatott ki az entrópia és az a mód, ahogyan a molekulák különböző energiaszinteken oszlanak el egy adott hőmérsékleten. Ez a Boltzmann-eloszlásnak nevezett eloszlás azt jósolja, hogy egy bizonyos energiaállapotú molekulák populációja bizonyos hőmérsékleten exponenciálisan csökken az állapot energiaszintjével. Ezenkívül magasabb hőmérsékleten több energiaállapot lesz elérhető.
Ezeket és más további megfigyeléseket a ma a nevét viselő egyenlet, azaz a Boltzmann-egyenlet foglalja össze:
Ebben az egyenletben S a rendszer entrópiáját jelenti egy adott állapotban, W pedig az adott állapot mikroállapotainak számát, k B pedig egy arányossági állandó, amelyet Boltzmann-állandónak neveznek. Ezek a mikroállapotok a rendszert alkotó atomok és molekulák elrendezésének különböző módjaiból állnak, a rendszer összenergiáját állandó szinten tartva.
A mikroállapotok számát hagyományosan a rendszer rendezetlenségének szintjéhez kötik. Hogy megértsük, miért, nézzünk meg egy fiókot, ahol sok zoknit tartunk. A zokni színe összefüggésbe hozható azzal az energiaszinttel, amelyben megtalálhatók. Így a Boltzmann-eloszlás azt jósolja, hogy kellően alacsony hőmérsékleten gyakorlatilag minden zokni egyszínű lesz (a legalacsonyabb energiaállapotnak megfelelő). Ilyenkor hiába rendeljük meg a zoknit, mindig ugyanaz lesz az eredmény (hiszen mind egyforma). tehát csak egy mikroállapot lesz (W = 1).
A hőmérséklet növelésével azonban ezeknek a zokniknak egy része egy másik színre vált. Még akkor is, ha csak egy pár zokni változtatja meg a színét (a második energiaállapotba lép), az a tény, hogy bármelyik zokni megváltoztathatja a színét, azt jelenti, hogy sok különböző mikroállapot létezhet. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, és egyre több állam kezd benépesülni, egyre több zokniszín jelenik meg a fiókban, jelentősen megnövelve a lehetséges mikroállapotok számát, ami viszont úgy néz ki, mint egy rendetlen rendetlenség.
Mivel a fenti egyenlet azt jósolja, hogy az entrópia növekszik a mikroállapotok számának növekedésével, vagyis ha a rendszer rendezetlenné válik, a Boltzmann-egyenlet az entrópiát a rendszer rendezetlenségének mértékeként határozza meg .
entrópia egységei
A bemutatott két definíció bármelyikétől függően meghatározható, hogy az entrópiának van egységnyi energiája a hőmérséklet felett. Vagyis,
Attól függően, hogy milyen egységrendszerben dolgozik, ezek az egységek lehetnek:
| Egységrendszer | entrópia mértékegységei |
| Nemzetközi rendszer | J/K |
| A metrikus rendszer alapegységei | m 2 .kg/(s 2 .K) |
| birodalmi rendszer | BTU/°R |
| kalóriát | mész/K |
| egyéb egységek | kJ/K, kcal/K |
Hivatkozások
Atkins, P. és dePaula, J. (2010). Atkins. Fizikai kémia (8. kiadás ). Panamerican Medical Editorial.
Boghiu, CE (2018, február 5.). Információ és entrópia, valószínűségi megközelítés . Fizikushallgatók Országos Szövetsége. https://nusgrem.es/informacion-entropia-probabilidad/
Chang, R. (2002). Fizikokémia (1. kiadás ). MCGRAW HILL OKTATÁS.
Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS és Herranz, ZR (2020). Kémia (10. kiadás ). McGraw-Hill oktatás.
Connor, N. (2020, január 14.). Mi az entrópia mértékegysége? Meghatározás . Hőtechnika. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-unit-of-entropy-definition/
AGB Gimnázium. (nd). ENTROPY – LUDWIG BOLTZMANN . Liceoagb.es. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo12.html
LÁT. (nd). Származtatott mértékegységek – Termodinamika . Industrial Verifications of Andalúzia, SA https://www.veiasa.es/metrologia/utilidades/unidades_derivadas/termodinamica
