definisjon av entropi

Entropi (S) er et av de sentrale begrepene innen termodynamikk. Det er en tilstandsfunksjon som gir et mål på uorden i et system og er også et mål på mengden energi som forsvinner som varme under en spontan prosess. Entropiberegninger er viktige innenfor ulike kunnskapsfelt, fra fysikk, kjemi og biologi, til samfunnsvitenskap som økonomi, finans og sosiologi.

Med et så stort utvalg av applikasjoner er det ikke overraskende at det er forskjellige konsepter eller definisjoner av entropi. Senere presenteres de to hovedbegrepene for entropi: det termodynamiske konseptet og det statistiske konseptet.

Entropi av prosesser kontra entropi av et system

Entropi er en egenskap ved termodynamiske systemer som er representert i litteraturlisten med bokstaven S. Det er en tilstandsfunksjon, som betyr at den er en av variablene som gjør det mulig å definere tilstanden et system finnes i. Videre betyr det også at det er en egenskap som kun avhenger av den spesielle tilstanden et system er i, og ikke av hvordan systemet kom til den tilstanden.

Dette betyr at når vi snakker om entropien til et system i en bestemt tilstand, gjør vi det på samme måte som vi ville snakket om temperaturen eller volumet til systemet. Det er imidlertid også vanlig å beregne entropiendringen som oppstår når et system går fra en tilstand til en annen. For eksempel kan vi beregne entropiendringen fra fordampningen av en vannprøve, eller fra den kjemiske reaksjonen mellom oksygen og jern for å gi jernoksid. I alle disse tilfellene snakker vi om prosessentropier, mens vi i virkeligheten burde snakke om entropiendringer assosiert med nevnte prosesser.

Med andre ord, når vi snakker om entropien til en prøve av metangass ved 25 °C og 3,0 atmosfæres trykk (i så fall beskriver vi en bestemt tilstand av gassen), refererer vi til entropien til systemet, også kalt absolutt entropi eller S.

I stedet, når vi snakker om entropien ved å brenne en prøve av gassformig metan ved 25 °C og 3,0 atmosfæres trykk i nærvær av oksygen for å gi karbondioksid og vann, snakker vi om entropien til en prosess som innebærer en endring i systemets tilstand og derfor en endring i systemets entropi. Med andre ord, i disse tilfellene refererer vi til en endring av entropi eller ΔS .

Når du definerer entropi, er det viktig å være tydelig på om vi snakker om S eller ΔS, siden de ikke er like. Når det er sagt, er det to grunnleggende konsepter for entropi: det opprinnelige termodynamiske konseptet og det statistiske konseptet. Begge konseptene er like viktige. Den første fordi den gjorde entropi kjent som en uunnværlig variabel for å forstå spontaniteten til alle naturlige makroskopiske prosesser i universet (i det mikroskopiske feltet av kvantemekanikk blir ting litt sumpete) og den andre fordi den gir oss en intuitiv tolkning av forståelsen av hva entropien til et system egentlig betyr.

Termodynamisk definisjon av entropi (ΔS)

Det opprinnelige begrepet entropi er assosiert med endringsprosesser i et system; i dem spres en del av den indre energien i form av varme. Dette er noe som skjer i enhver naturlig eller spontan prosess og danner grunnlaget for termodynamikkens andre lov, som uten tvil er en av de viktigste (og begrensende) lovene i vitenskapen.

Tenk for eksempel på å slippe en ball for å la den sprette på bakken. Når vi holder en ball i en viss høyde, har den en viss mengde potensiell energi. Når du slipper ballen, faller den, og transformerer potensiell energi til kinetisk energi til den treffer bakken. I det øyeblikket akkumuleres den kinetiske energien igjen i form av potensiell energi, denne gangen elastisk, som senere frigjøres når ballen spretter.

Under ideelle forhold ville all den innledende potensielle energien bli bevart etter sprett, noe som ville bety at ballen skulle sprette tilbake til den opprinnelige høyden. Men selv om vi fjerner luften helt (for å eliminere friksjon), forteller erfaring oss at ballen aldri spretter tilbake til utgangshøyden, men går til en lavere og lavere høyde etter hvert sprett til den hviler på bakken.

Det er tydelig at gjentatte sprett av ballen på bakken ender opp med å fullstendig spre all potensiell energi som objektet hadde i begynnelsen av vårt lille eksperiment. Dette skjer fordi hver gang ballen spretter, overfører den deler av energien sin til bakken i form av varme, som igjen spres tilfeldig langs selve bakken.

I termodynamikk er entropi, eller rettere sagt entropiendringen, definert som varmen som frigjøres eller absorberes av et system under en reversibel transformasjon delt på den absolutte temperaturen. Det er å si:

Denne definisjonen representerer en uendelig liten variasjon av entropi av en prosess av enhver type utført reversibelt, det vil si uendelig sakte. For å oppnå entropien til en reell og målbar endring må vi integrere dette uttrykket:

Siden entropi er en funksjon av tilstand, innebærer det forrige uttrykket at entropivariasjonen til et system mellom en hvilken som helst starttilstand og en hvilken som helst slutttilstand kan finnes ved å se etter en reversibel bane mellom begge tilstander og integrere det forrige uttrykket. For det enkleste tilfellet av en isoterm transformasjon blir den integrerte entropien:

Statistisk definisjon av entropi (S)

Den østerrikske teoretiske fysikeren Ludwig Boltzmann er kjent for sine utallige bidrag til vitenskapen, men hovedsakelig for sin statistiske tolkning av entropi. Boltzmann utledet en sammenheng mellom entropi og måten molekyler er fordelt på i forskjellige energinivåer ved en gitt temperatur. Denne fordelingen, kalt Boltzmann-fordelingen, forutsier at populasjonen av molekyler i en gitt energitilstand ved en gitt temperatur avtar eksponentielt med energinivået til tilstanden. Også ved høyere temperaturer vil et større antall energitilstander være tilgjengelige.

Disse og andre tilleggsobservasjoner er oppsummert i ligningen som i dag bærer navnet hans, det vil si Boltzmann-ligningen:

I denne ligningen representerer S entropien til systemet i en bestemt tilstand og W representerer antall mikrotilstander av samme og k _B er en proporsjonalitetskonstant kalt Boltzmanns konstant. Disse mikrotilstandene består av de forskjellige måtene atomene og molekylene som utgjør systemet kan ordnes, og holder den totale energien til systemet konstant.

Antall mikrotilstander er tradisjonelt assosiert med nivået av uorden i et system. For å forstå hvorfor, la oss vurdere en skuff hvor vi har et stort antall sokker. Fargen på sokkene kan assosieres med energinivået de finnes i. Dermed forutsier Boltzmann-fordelingen at ved tilstrekkelig lave temperaturer vil praktisk talt alle sokker ha en enkelt farge (den som tilsvarer den laveste energitilstanden). I dette tilfellet, uansett hvordan vi bestiller sokkene, vil resultatet alltid være det samme (siden alle er like). så det vil bare være en mikrotilstand (W = 1).

Men når vi øker temperaturen, vil noen av disse sokkene endre seg til en annen farge. Selv om bare ett par sokker endrer farge (flytter til den andre energitilstanden), betyr det at en hvilken som helst av sokkene kan være den som endrer farge at mange forskjellige mikrotilstander kan eksistere. Etter hvert som temperaturen stiger og flere stater begynner å befolkes, dukker det opp flere og flere sokkefarger i skuffen, noe som øker antallet mulige mikrotilstander enormt, noe som igjen får skuffen til å se ut som et rotete rot.

Siden ligningen ovenfor forutsier at entropi øker når antall mikrotilstander øker, det vil si når systemet blir uordnet, definerer Boltzmann-ligningen entropi som et mål på uorden i et system .

enheter for entropi

Avhengig av en av de to definisjonene som presenteres, kan det bestemmes at entropi har enheter av energi over temperatur. Det er å si,

Avhengig av systemet med enheter du jobber i, kan disse enhetene være:

Referanser

Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Fysisk kjemi (8. ^utg .). Panamerican Medical Editorial.

Boghiu, CE (2018, 5. februar). Informasjon og entropi, en probabilistisk tilnærming . Fysikkstudenters landsforbund. https://nusgrem.es/informacion-entropia-probabilidad/

Chang, R. (2002). Fysisk kjemi (1. ^utg .). MCGRAW HILL UTDANNING.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Kjemi (10. ^utgave ). McGraw-Hill utdanning.

Connor, N. (2020, 14. januar). Hva er enheten for entropi? Definisjon . Termisk teknikk. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-unit-of-entropy-definition/

AGB videregående skole. (nd). ENTROPI – LUDWIG BOLTZMANN . Liceoagb.es. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo12.html

SE. (nd). Avledede enheter – Termodynamikk . Industrielle verifikasjoner av Andalusia, SA https://www.veiasa.es/metrologia/utilidades/unidades_derivadas/termodinamica