Tabla de Contenidos
เอนโทรปี (S) เป็นหนึ่งในแนวคิดหลักของอุณหพลศาสตร์ เป็นฟังก์ชันสถานะที่ให้การวัดความผิดปกติของระบบและยังเป็นการวัดปริมาณพลังงานที่กระจายเป็นความร้อนในระหว่างกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง การคำนวณเอนโทรปีมีความสำคัญในสาขาความรู้ต่างๆ ตั้งแต่ฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา ไปจนถึงสังคมศาสตร์ เช่น เศรษฐศาสตร์ การเงิน และสังคมวิทยา
การมีแอปพลิเคชันที่หลากหลายเช่นนี้ จึงไม่น่าแปลกใจที่จะมีแนวคิดหรือคำจำกัดความของเอนโทรปีที่แตกต่างกัน ต่อมาได้นำเสนอแนวคิดหลักสองประการของเอนโทรปี ได้แก่ แนวคิดทางอุณหพลศาสตร์และแนวคิดทางสถิติ
เอนโทรปีของกระบวนการกับเอนโทรปีของระบบ
เอนโทรปีเป็นคุณสมบัติของระบบอุณหพลศาสตร์ที่แสดงอยู่ในบรรณานุกรมด้วยตัวอักษร S เอนโทรปีเป็นฟังก์ชันสถานะ ซึ่งหมายความว่าเป็นหนึ่งในตัวแปรที่อนุญาตให้กำหนดสถานะที่พบระบบ นอกจากนี้ยังหมายความว่าเป็นคุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับสถานะเฉพาะที่ระบบอยู่เท่านั้น และไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าระบบไปถึงสถานะนั้นได้อย่างไร
ซึ่งหมายความว่า เมื่อพูดถึงเอนโทรปีของระบบในสถานะหนึ่งๆ เราจะพูดในลักษณะเดียวกับที่เราจะพูดถึงอุณหภูมิหรือปริมาตรของระบบ อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องปกติที่จะคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีที่เกิดขึ้นเมื่อระบบผ่านจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง ตัวอย่างเช่น เราสามารถคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีจากการกลายเป็นไอของตัวอย่างน้ำ หรือจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างออกซิเจนกับเหล็กเพื่อให้ได้ออกไซด์ของเหล็ก ในกรณีเหล่านี้ เราพูดถึงเอนโทรปีของกระบวนการ แต่ในความเป็นจริงเราควรพูดถึงการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการดังกล่าว
กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อเราพูดถึงเอนโทรปีของตัวอย่างก๊าซมีเทนที่อุณหภูมิ 25 °C และความดัน 3.0 บรรยากาศ (ซึ่งในกรณีนี้เรากำลังอธิบายสถานะเฉพาะของก๊าซดังกล่าว) เราจะอ้างถึงเอนโทรปีของระบบด้วยเรียกว่าเอนโทรปีสัมบูรณ์หรือเอส
เมื่อเราพูดถึงเอนโทรปีของการเผาตัวอย่างแก๊สมีเทนที่อุณหภูมิ 25 °C และความดันบรรยากาศ 3.0 ต่อหน้าออกซิเจนเพื่อให้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ เรากำลังพูดถึงเอนโทรปีของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงใน สถานะของระบบและการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบ กล่าวอีกนัยหนึ่งในกรณีเหล่านี้ เราหมายถึงการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีหรือ ΔS
เมื่อนิยามเอนโทรปี สิ่งสำคัญคือต้องชัดเจนว่าเรากำลังพูดถึง S หรือ ΔS เนื่องจากไม่เหมือนกัน ดังที่กล่าวมาแล้ว มีแนวคิดพื้นฐานสองประการเกี่ยวกับเอนโทรปี: แนวคิดทางอุณหพลศาสตร์ดั้งเดิมและแนวคิดทางสถิติ แนวคิดทั้งสองมีความสำคัญเท่าเทียมกัน อย่างแรกเพราะมันทำให้เอนโทรปีเป็นที่รู้จักในฐานะตัวแปรที่ขาดไม่ได้ในการทำความเข้าใจธรรมชาติของกระบวนการทางธรรมชาติด้วยกล้องจุลทรรศน์ในจักรวาล (ในสาขากลศาสตร์ควอนตัมด้วยกล้องจุลทรรศน์ สิ่งต่างๆ จะดูล้นๆ หน่อย) และอย่างที่สองเพราะมันทำให้เราเข้าใจโดยสัญชาตญาณของการตีความ เอนโทรปีของระบบหมายถึงอะไรจริงๆ
นิยามทางอุณหพลศาสตร์ของเอนโทรปี (ΔS)
แนวคิดดั้งเดิมของเอนโทรปีเกี่ยวข้องกับกระบวนการเปลี่ยนแปลงในระบบ ในนั้นพลังงานภายในส่วนหนึ่งจะกระจายไปในรูปของความร้อน นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในทุกกระบวนการทางธรรมชาติหรือที่เกิดขึ้นเองและเป็นพื้นฐานของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในกฎที่สำคัญที่สุด (และจำกัด) ทางวิทยาศาสตร์
ยกตัวอย่างกรณีการปล่อยลูกบอลให้กระดอนลงพื้น เมื่อเราถือลูกบอลที่ความสูงระดับหนึ่ง ลูกบอลจะมีพลังงานศักย์จำนวนหนึ่ง เมื่อคุณปล่อยลูกบอล ลูกบอลจะตกลง เปลี่ยนพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์จนกระทั่งกระทบพื้น ในขณะนั้น พลังงานจลน์จะสะสมอีกครั้งในรูปของพลังงานศักย์ ซึ่งคราวนี้จะยืดหยุ่น ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาในภายหลังเมื่อลูกบอลกระดอน
ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม พลังงานศักย์เริ่มต้นทั้งหมดจะถูกสงวนไว้หลังจากการกระดอน ซึ่งหมายความว่าลูกบอลควรกระดอนกลับไปที่ความสูงเริ่มต้น อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเราจะเอาอากาศออกจนหมด (เพื่อกำจัดแรงเสียดทาน) ประสบการณ์บอกเราว่า ลูกบอลไม่เคยกระดอนกลับไปที่ความสูงเริ่มต้น แต่จะกลับไปสูงต่ำลงเรื่อยๆ หลังจากการกระดอนแต่ละครั้งจนกระทั่งวางบนพื้น
เห็นได้ชัดว่าการกระดอนซ้ำๆ ของลูกบอลบนพื้นทำให้พลังงานศักย์ทั้งหมดที่วัตถุมีในตอนเริ่มต้นของการทดลองเล็กๆ ของเราหายไปจนหมดสิ้น สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากแต่ละครั้งที่ลูกบอลกระดอน มันจะถ่ายโอนพลังงานส่วนหนึ่งของมันไปยังพื้นในรูปของความร้อน ซึ่งจะกระจายไปตามพื้นแบบสุ่ม
ในอุณหพลศาสตร์ เอนโทรปีหรือการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีหมายถึงความร้อนที่ปล่อยออกมาหรือถูกดูดซับโดยระบบระหว่างการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้หารด้วยอุณหภูมิสัมบูรณ์ กล่าวคือ:
คำจำกัดความนี้แสดงถึงการแปรผันเล็กน้อยของเอนโทรปีของกระบวนการประเภทใดก็ตามที่ดำเนินการแบบย้อนกลับได้ นั่นคือ ช้าอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ในการรับค่าเอนโทรปีของการเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงและวัดผลได้ เราต้องรวมนิพจน์นี้:
เนื่องจากเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของสถานะ นิพจน์ก่อนหน้าจึงบอกเป็นนัยว่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบระหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายใดๆ สามารถพบได้โดยการมองหาเส้นทางที่ผันกลับได้ระหว่างทั้งสองสถานะและการรวมนิพจน์ก่อนหน้า สำหรับกรณีที่ง่ายที่สุดของการแปลงแบบไอโซเทอร์มอล เอนโทรปีแบบบูรณาการจะกลายเป็น:
คำจำกัดความทางสถิติของเอนโทรปี (S)
นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวออสเตรีย Ludwig Boltzmann มีชื่อเสียงในด้านผลงานวิทยาศาสตร์นับไม่ถ้วน แต่ส่วนใหญ่เป็นการตีความค่าเอนโทรปีทางสถิติ Boltzmann อนุมานความสัมพันธ์ระหว่างเอนโทรปีกับวิธีการกระจายตัวของโมเลกุลในระดับพลังงานที่แตกต่างกันในอุณหภูมิที่กำหนด การกระจายนี้เรียกว่าการแจกแจง Boltzmann ทำนายว่าประชากรของโมเลกุลในสถานะพลังงานที่กำหนด ณ อุณหภูมิที่กำหนดจะลดลงแบบทวีคูณตามระดับพลังงานของสถานะนั้น นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิสูงขึ้น จะสามารถเข้าถึงสถานะพลังงานจำนวนมากขึ้นได้
ข้อสังเกตเหล่านี้และข้อสังเกตเพิ่มเติมอื่นๆ สรุปไว้ในสมการซึ่งปัจจุบันมีชื่อของเขา นั่นคือสมการ Boltzmann:
ในสมการนี้ S แทนเอนโทรปีของระบบในสถานะหนึ่งๆ และ W แทนจำนวนไมโครสเตตของสิ่งเดียวกัน และ k Bเป็นค่าคงที่ของสัดส่วนที่เรียกว่า ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ ไมโครสเตตเหล่านี้ประกอบด้วยวิธีต่างๆ ในการจัดเรียงอะตอมและโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นระบบ ทำให้พลังงานทั้งหมดของระบบคงที่
จำนวนของไมโครสเตตนั้นสัมพันธ์กับระดับของความผิดปกติในระบบ เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไม ลองพิจารณาลิ้นชักที่เราเก็บถุงเท้าจำนวนมาก สีของถุงเท้าสามารถเชื่อมโยงกับระดับพลังงานที่พบได้ ดังนั้น การกระจายตัวของ Boltzmann จึงคาดการณ์ว่าที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ ถุงเท้าเกือบทั้งหมดจะมีสีเดียว (สีที่สอดคล้องกับสถานะพลังงานต่ำสุด) ในกรณีนี้ ไม่ว่าเราจะสั่งถุงเท้าอย่างไร ผลลัพธ์ก็จะเหมือนเดิมเสมอ (เนื่องจากเหมือนกันหมด) ดังนั้นจะมีไมโครสเตตเพียงตัวเดียว (W = 1)
อย่างไรก็ตาม เมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิ ถุงเท้าเหล่านี้บางส่วนจะเปลี่ยนเป็นสีที่สอง แม้ว่าถุงเท้าเพียงคู่เดียวจะเปลี่ยนสี (เปลี่ยนไปสู่สถานะพลังงานที่สอง) ข้อเท็จจริงที่ว่าถุงเท้าข้างใดข้างหนึ่งสามารถเป็นถุงเท้าที่เปลี่ยนสีได้ หมายความว่ามีไมโครสเตตที่แตกต่างกันมากมาย เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและเริ่มมีสถานะมากขึ้น สีถุงเท้าจะปรากฏในลิ้นชักมากขึ้นเรื่อยๆ ทำให้จำนวนไมโครสเตตที่เป็นไปได้เพิ่มขึ้นอย่างมากมาย ซึ่งทำให้ลิ้นชักดูเหมือนยุ่งเหยิง
เนื่องจากสมการข้างต้นทำนายว่าเอนโทรปีจะเพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนไมโครสเตตเพิ่มขึ้น นั่นคือ เมื่อระบบเกิดความผิดปกติ สมการ Boltzmann จึงนิยามเอนโทรปีเป็นการวัดความผิดปกติของระบบ
หน่วยของเอนโทรปี
เอนโทรปีมีหน่วยของพลังงานเหนืออุณหภูมิ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคำจำกัดความใด ๆ ในสองคำจำกัดความที่นำเสนอ กล่าวคือ,
ขึ้นอยู่กับระบบของหน่วยที่คุณทำงาน หน่วยเหล่านี้สามารถ:
| ระบบหน่วย | หน่วยเอนโทรปี |
| ระบบสากล | เจ/เค |
| หน่วยพื้นฐานของระบบเมตริก | ม2 .kg/(s 2 .K) |
| ระบบจักรวรรดิ | บีทียู/°อาร์ |
| แคลอรี่ | มะนาว/เค |
| หน่วยอื่น ๆ | กิโลจูล/กิโลแคลอรี/กิโลแคลอรี |
อ้างอิง
Atkins, P., & dePaula, J. (2010). แอตกินส์ เคมีเชิงฟิสิกส์ ( ฉบับ ที่ 8 ) บรรณาธิการการแพทย์ Panamerican
Boghiu, CE (2018, 5 กุมภาพันธ์) ข้อมูลและเอนโทรปี แนวทางความน่าจะเป็น สมาคมนักศึกษาฟิสิกส์แห่งชาติ https://nusgrem.es/informacion-entropia-probabilidad/
ช้าง ร. (2545). ฟิสิกส์เคมี ( ฉบับ ที่ 1 ) MCGRAW HILL การศึกษา
Chang, R., Manzo, Á. ร. โลเปซ PS และเฮอร์รานซ์ ZR (2020) เคมี ( ครั้ง ที่ 10 .). การศึกษาของ McGraw-Hill
Connor, N. (2020, 14 มกราคม). หน่วยของเอนโทรปีคืออะไร? คำนิยาม . วิศวกรรมความร้อน. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-unit-of-entropy-definition/
โรงเรียนมัธยมเอจีบี. (น). เอนโทรปี – ลุดวิก โบลต์ซมันน์ Liceoagb.es. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo12.html
ดู. (น). หน่วยที่ได้มา – เทอร์โมไดนามิกส์ การตรวจสอบทางอุตสาหกรรมของ Andalusia, SA https://www.veiasa.es/metrologia/utilidades/unidades_derivadas/termodinamica
