definition av entropi

Entropi (S) är ett av termodynamikens centrala begrepp. Det är en tillståndsfunktion som ger ett mått på störningen i ett system och är också ett mått på mängden energi som försvinner som värme under en spontan process. Entropiberäkningar är viktiga inom olika kunskapsområden, från fysik, kemi och biologi, till samhällsvetenskaper som ekonomi, finans och sociologi.

Med så många olika tillämpningar är det inte förvånande att det finns olika begrepp eller definitioner av entropi. Senare presenteras de två huvudbegreppen för entropi: det termodynamiska konceptet och det statistiska konceptet.

Entropi av processer kontra entropi av ett system

Entropi är en egenskap hos termodynamiska system som representeras i litteraturförteckningen med bokstaven S. Det är en tillståndsfunktion, vilket betyder att det är en av variablerna som gör det möjligt att definiera i vilket tillstånd ett system finns. Vidare betyder det också att det är en egenskap som bara beror på det särskilda tillstånd ett system befinner sig i, och inte på hur systemet kommit till det tillståndet.

Det betyder att när vi talar om entropin för ett system i ett visst tillstånd, gör vi det på samma sätt som vi skulle tala om temperaturen eller volymen av systemet. Det är dock också vanligt att beräkna entropiförändringen som uppstår när ett system övergår från ett tillstånd till ett annat. Till exempel kan vi beräkna entropiförändringen från förångningen av ett vattenprov, eller från den kemiska reaktionen mellan syre och järn för att ge järnoxid. I något av dessa fall talar vi om processentropier, när vi i verkligheten borde tala om entropiförändringar förknippade med nämnda processer.

Med andra ord, när vi talar om entropin för ett prov av metangas vid 25 °C och 3,0 atmosfärers tryck (i vilket fall vi beskriver ett särskilt tillstånd för nämnda gas), hänvisar vi till systemets entropi, även kallas absolut entropi eller S.

När vi istället talar om entropin av att bränna ett prov av gasformig metan vid 25 °C och 3,0 atmosfärers tryck i närvaro av syre för att ge koldioxid och vatten, talar vi om entropin i en process som innebär en förändring av systemets tillstånd och därför en förändring i systemets entropi. Med andra ord, i dessa fall hänvisar vi till en förändring av entropi eller ΔS .

När man definierar entropi är det viktigt att vara tydlig med om vi talar om S eller ΔS, eftersom de inte är samma. Med detta sagt finns det två grundläggande begrepp för entropi: det ursprungliga termodynamiska konceptet och det statistiska konceptet. Båda begreppen är lika viktiga. Den första för att den gjorde entropin känd som en oumbärlig variabel för att förstå spontaniteten hos alla naturliga makroskopiska processer i universum (i det mikroskopiska området av kvantmekanik blir saker lite sumpiga) och den andra för att den ger oss en intuitiv tolkning av förståelsen av vad entropin i ett system egentligen betyder.

Termodynamisk definition av entropi (ΔS)

Det ursprungliga begreppet entropi är förknippat med förändringsprocesser i ett system; i dem försvinner en del av den inre energin i form av värme. Detta är något som händer i varje naturlig eller spontan process och utgör grunden för termodynamikens andra lag, som utan tvekan är en av de viktigaste (och begränsande) lagarna inom vetenskapen.

Tänk till exempel på att släppa en boll för att låta den studsa på marken. När vi håller en boll på en viss höjd har den en viss mängd potentiell energi. När du släpper bollen faller den och omvandlar potentiell energi till kinetisk energi tills den träffar marken. I det ögonblicket ackumuleras den kinetiska energin igen i form av potentiell energi, denna gång elastisk, som senare frigörs när bollen studsar.

Under idealiska förhållanden skulle all initial potentiell energi bevaras efter studsen, vilket skulle innebära att bollen skulle studsa tillbaka till den ursprungliga höjden. Men även om vi tar bort luften helt (för att eliminera friktion) säger erfarenheten oss att bollen aldrig studsar tillbaka till den ursprungliga höjden, utan går till en lägre och lägre höjd efter varje studs tills den vilar på marken.

Det är uppenbart att den upprepade studsningen av bollen på marken slutar med att fullständigt försvinner all potentiell energi som föremålet hade i början av vårt lilla experiment. Detta beror på att varje gång bollen studsar överför den en del av sin energi till marken i form av värme, som i sin tur avleds slumpmässigt längs själva marken.

Inom termodynamiken definieras entropi, eller snarare entropiförändringen, som den värme som frigörs eller absorberas av ett system under en reversibel transformation dividerat med den absoluta temperaturen. Det vill säga:

Denna definition representerar en oändligt liten variation av entropi av en process av vilken typ som helst som utförs reversibelt, det vill säga oändligt långsamt. För att erhålla entropin av en verklig och mätbar förändring måste vi integrera detta uttryck:

Eftersom entropi är en funktion av tillstånd, innebär det föregående uttrycket att entropivariationen av ett system mellan vilket initialt tillstånd och vilket slutligt tillstånd som helst kan hittas genom att leta efter en reversibel väg mellan båda tillstånden och integrera det tidigare uttrycket. För det enklaste fallet av en isotermisk transformation blir den integrerade entropin:

Statistisk definition av entropi (S)

Den österrikiske teoretiska fysikern Ludwig Boltzmann är känd för sina otaliga bidrag till vetenskapen, men främst för sin statistiska tolkning av entropi. Boltzmann härledde ett samband mellan entropi och det sätt på vilket molekyler är fördelade i olika energinivåer vid en given temperatur. Denna fördelning, som kallas Boltzmann-fördelningen, förutspår att populationen av molekyler i ett givet energitillstånd vid en given temperatur minskar exponentiellt med tillståndets energinivå. Vid högre temperaturer kommer också ett större antal energitillstånd att vara tillgängliga.

Dessa och andra ytterligare observationer sammanfattas i ekvationen som idag bär hans namn, det vill säga Boltzmann-ekvationen:

I denna ekvation representerar S entropin för systemet i ett visst tillstånd och W representerar antalet mikrotillstånd av detsamma och k _B är en proportionalitetskonstant som kallas Boltzmanns konstant. Dessa mikrotillstånd består av de olika sätten på vilka atomerna och molekylerna som utgör systemet kan ordnas, vilket håller systemets totala energi konstant.

Antalet mikrotillstånd är traditionellt förknippat med graden av störning i ett system. För att förstå varför, låt oss överväga en låda där vi förvarar ett stort antal strumpor. Färgen på strumpor kan associeras med energinivån där de finns. Således förutspår Boltzmann-fördelningen att vid tillräckligt låga temperaturer kommer praktiskt taget alla strumpor att vara av en enda färg (den som motsvarar det lägsta energitillståndet). I det här fallet, oavsett hur vi beställer sockorna, kommer resultatet alltid att vara detsamma (eftersom alla är likadana). så det kommer bara att finnas ett mikrotillstånd (W = 1).

Men när vi ökar temperaturen kommer vissa av dessa strumpor att ändras till en andra färg. Även om bara ett par strumpor ändrar färg (flyttar till det andra energitillståndet), betyder det faktum att vilken som helst av strumpor kan vara den som ändrar färg att många olika mikrotillstånd kan existera. När temperaturen stiger och fler stater börjar befolkas, dyker det upp fler och fler sockfärger i lådan, vilket ökar antalet möjliga mikrotillstånd avsevärt, vilket i sin tur får lådan att se ut som en rörig röra.

Eftersom ovanstående ekvation förutsäger att entropin ökar när antalet mikrotillstånd ökar, det vill säga när systemet blir oordnat, definierar Boltzmann-ekvationen entropi som ett mått på oordningen i ett system .

enheter av entropi

Beroende på någon av de två definitionerna som presenteras kan det fastställas att entropi har enheter av energi över temperatur. Det vill säga,

Beroende på vilket system av enheter du arbetar i kan dessa enheter vara:

Referenser

Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Physical Chemistry (8: ^{e upplagan} ). Panamerican Medical Editorial.

Boghiu, CE (2018, 5 februari). Information och entropi, ett probabilistiskt synsätt . Fysikstudenternas Riksförbund. https://nusgrem.es/informacion-entropia-probabilidad/

Chang, R. (2002). Fysikalisk kemi (1: ^{a uppl.} ). MCGRAW HILL UTBILDNING.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Chemistry (10: ^{e upplagan} ). McGraw-Hill Education.

Connor, N. (2020, 14 januari). Vad är enheten för entropi? Definition . Termisk teknik. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-unit-of-entropy-definition/

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

SER. (nd). Härledda enheter – Termodynamik . Industriella verifikationer av Andalusien, SA https://www.veiasa.es/metrologia/utilidades/unidades_derivadas/termodinamica