entropinin tanımı

Entropi (S), termodinamiğin merkezi kavramlarından biridir. Bir sistemin düzensizliğinin bir ölçüsünü sağlayan ve aynı zamanda kendiliğinden bir süreç sırasında ısı olarak dağılan enerji miktarının bir ölçüsü olan bir durum fonksiyonudur. Entropi hesaplamaları fizik, kimya ve biyolojiden ekonomi, finans ve sosyoloji gibi sosyal bilimlere kadar farklı bilgi alanlarında önemlidir.

Bu kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahip olan entropinin farklı kavramlarının veya tanımlarının olması şaşırtıcı değildir. Daha sonra, entropinin iki ana kavramı sunulmaktadır: termodinamik kavram ve istatistiksel kavram.

Bir sistemin entropisine karşı süreçlerin entropisi

Entropi termodinamik sistemlerin bibliyografyasında S harfi ile gösterilen bir özelliğidir. Bir durum fonksiyonudur yani bir sistemin içinde bulunduğu durumu tanımlamayı sağlayan değişkenlerden biridir. Ayrıca, sistemin o duruma nasıl geldiğine değil, yalnızca sistemin içinde bulunduğu belirli duruma bağlı olan bir özellik olduğu anlamına da gelir.

Bu, belirli bir durumdaki bir sistemin entropisinden bahsederken, bunu sistemin sıcaklığından veya hacminden bahsederken yaptığımız gibi yaptığımız anlamına gelir. Bununla birlikte, bir sistem bir durumdan diğerine geçtiğinde meydana gelen entropi değişimini hesaplamak da yaygındır. Örneğin, entropi değişimini bir su numunesinin buharlaşmasından veya oksijen ile demir arasındaki kimyasal reaksiyondan demir oksit vermek için hesaplayabiliriz. Bu durumların herhangi birinde, gerçekte söz konusu süreçlerle ilişkili entropi değişikliklerinden bahsetmemiz gerekirken, süreç entropilerinden bahsediyoruz.

Başka bir deyişle, 25 °C’de ve 3.0 atmosfer basınçta bir metan gazı örneğinin entropisinden bahsettiğimizde (bu durumda söz konusu gazın belirli bir durumunu tarif ediyoruz), sistemin entropisinden de bahsediyoruz. mutlak entropi veya S olarak adlandırılır.

Bunun yerine, gaz halindeki bir metan örneğini 25 °C’de ve 3.0 atmosfer basınçta oksijen varlığında karbondioksit ve su vermek üzere yakmanın entropisinden bahsettiğimizde, bir değişikliği içeren bir sürecin entropisinden bahsediyoruz . sistemin durumu ve dolayısıyla sistemin entropisindeki bir değişiklik. Başka bir deyişle, bu durumlarda bir entropi değişikliğine veya ΔS’ye atıfta bulunuyoruz .

Entropiyi tanımlarken, aynı olmadıkları için S’den mi yoksa ΔS’den mi bahsettiğimizin net olması önemlidir. Bununla birlikte, entropinin iki temel kavramı vardır: orijinal termodinamik kavram ve istatistiksel kavram. Her iki kavram da eşit derecede önemlidir. Birincisi, entropiyi evrendeki tüm doğal makroskobik süreçlerin kendiliğindenliğini anlamak için vazgeçilmez bir değişken olarak bilinir kıldığı için (kuantum mekaniğinin mikroskobik alanında işler biraz bataklaşıyor) ve ikincisi bize sezgisel bir anlayış anlayışı sağladığı için. bir sistemin entropisinin gerçekte ne anlama geldiği.

Entropinin termodinamik tanımı (ΔS)

Orijinal entropi kavramı, bir sistemdeki değişim süreçleriyle ilişkilidir; içlerinde iç enerjinin bir kısmı ısı şeklinde dağılır. Bu, her doğal veya kendiliğinden süreçte meydana gelen bir şeydir ve bilimdeki tartışmasız en önemli (ve sınırlayıcı) yasalardan biri olan termodinamiğin ikinci yasasının temelini oluşturur.

Örneğin, yerde sekmesine izin vermek için bir topun bırakılması durumunu düşünün. Topu belirli bir yükseklikte tuttuğumuzda, belirli bir potansiyel enerjiye sahiptir. Topu bıraktığınızda, yere çarpana kadar potansiyel enerjiyi kinetik enerjiye dönüştürerek düşer. O anda kinetik enerji, daha sonra top zıpladığında salınan, bu sefer elastik olan potansiyel enerji şeklinde yeniden birikir.

İdeal koşullar altında, ilk potansiyel enerjinin tamamı zıplamadan sonra korunur, bu da topun ilk yüksekliğe geri sekmesi gerektiği anlamına gelir. Bununla birlikte, havayı tamamen çıkarsak bile (sürtünmeyi ortadan kaldırmak için), deneyim bize topun asla ilk yüksekliğe geri dönmediğini, her zıplamadan sonra zemine oturana kadar alçaldığını ve alçaldığını söyler.

Topun yerde tekrar tekrar zıplamasının, nesnenin küçük deneyimizin başında sahip olduğu tüm potansiyel enerjiyi tamamen dağıttığı açıktır. Bunun nedeni, topun her sıçrayışında enerjisinin bir kısmını ısı şeklinde zemine aktarması ve bunun da zemin boyunca rastgele dağılmasıdır.

Termodinamikte entropi veya daha doğrusu entropi değişimi, tersinir bir dönüşüm sırasında bir sistem tarafından salınan veya emilen ısının mutlak sıcaklığa bölümü olarak tanımlanır. Demek ki:

Bu tanım, tersinir şekilde, yani sonsuz yavaş gerçekleştirilen herhangi bir sürecin entropisindeki sonsuz küçük bir değişimi temsil eder. Gerçek ve ölçülebilir bir değişimin entropisini elde etmek için şu ifadeyi entegre etmeliyiz:

Entropi, durumun bir fonksiyonu olduğundan, önceki ifade, bir sistemin herhangi bir başlangıç ​​durumu ile herhangi bir son durum arasındaki entropi değişiminin, her iki durum arasında tersinir bir yol aranarak ve önceki ifadenin integrali alınarak bulunabileceğini ima eder. Bir izotermal dönüşümün en basit durumu için, entegre entropi şöyle olur:

Entropinin istatistiksel tanımı (S)

Avusturyalı teorik fizikçi Ludwig Boltzmann, bilime yaptığı sayısız katkıyla, ama esas olarak entropinin istatistiksel yorumuyla ünlüdür. Boltzmann, entropi ile moleküllerin belirli bir sıcaklıkta farklı enerji seviyelerinde dağılma şekli arasında bir ilişki çıkardı. Boltzmann dağılımı olarak adlandırılan bu dağılım, belirli bir sıcaklıkta belirli bir enerji durumundaki molekül popülasyonunun, durumun enerji düzeyi ile üstel olarak azaldığını tahmin eder. Ayrıca, daha yüksek sıcaklıklarda, daha fazla sayıda enerji durumuna erişilebilir.

Bunlar ve diğer ek gözlemler, bugün onun adını taşıyan denklemde, yani Boltzmann denkleminde özetlenmiştir:

Bu denklemde S, sistemin belirli bir durumdaki entropisini temsil eder ve W aynı mikro durumların sayısını temsil eder ve k _B, Boltzmann sabiti olarak adlandırılan bir orantı sabitidir. Bu mikrodurumlar, sistemin toplam enerjisini sabit tutarak sistemi oluşturan atomların ve moleküllerin düzenlenebildiği farklı yollardan oluşur.

Mikrodurumların sayısı geleneksel olarak bir sistemdeki düzensizlik düzeyiyle ilişkilendirilir. Nedenini anlamak için çok sayıda çorabı sakladığımız bir çekmeceyi düşünelim. Çorapların rengi bulundukları enerji düzeyi ile ilişkilendirilebilir. Bu nedenle, Boltzmann dağılımı, yeterince düşük sıcaklıklarda pratik olarak tüm çorapların tek bir renkte olacağını (en düşük enerji durumuna karşılık gelen) öngörür. Bu durumda çorapları nasıl sıralarsak sıralayalım sonuç hep aynı olacaktır (çünkü hepsi aynıdır). bu nedenle yalnızca bir mikro durum olacaktır (W = 1).

Ancak sıcaklığı artırdıkça bu çorapların bir kısmı ikinci bir renge dönüşecektir. Sadece bir çift çorap renk değiştirse bile (ikinci enerji durumuna geçer), çoraplardan herhangi birinin renk değiştirebileceği gerçeği, birçok farklı mikro durumun var olabileceği anlamına gelir. Sıcaklık yükseldikçe ve daha fazla eyalet dolmaya başladıkça, çekmecede giderek daha fazla çorap rengi belirir ve olası mikro durumların sayısı büyük ölçüde artar, bu da çekmecenin dağınık bir karmaşa gibi görünmesine neden olur.

Yukarıdaki denklem, mikrodurumların sayısı arttıkça, yani sistem düzensiz hale geldikçe entropinin artacağını öngördüğünden, Boltzmann denklemi entropiyi bir sistemin düzensizliğinin bir ölçüsü olarak tanımlar .

entropi birimleri

Sunulan iki tanımdan herhangi birine bağlı olarak, entropinin sıcaklık üzerinden enerji birimleri olduğu belirlenebilir . Demek ki,

Çalıştığınız birimler sistemine bağlı olarak bu birimler şunlar olabilir:

Referanslar

Atkins, P. ve dePaula, J. (2010). Atkins. Fiziksel Kimya (8. ^baskı ). Panamerican Medical Editoryal.

Boghiu, CE (2018, 5 Şubat). Bilgi ve entropi, olasılıksal bir yaklaşım . Ulusal Fizik Öğrencileri Derneği. https://nusgrem.es/informacion-entropia-probabilidad/

Chang, R. (2002). Fizikokimya (1. ^baskı ). MCGRAW HILL EĞİTİMİ.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS ve Herranz, ZR (2020). Kimya (10. ^baskı ). McGraw-Hill Eğitimi.

Connor, N. (2020, 14 Ocak). Entropinin birimi nedir? tanım . Termal Mühendislik. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-unit-of-entropy-definition/

AGÜ Lisesi. (son). ENTROPİ – LUDWİG BOLTZMANN . Liceoagb.es. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo12.html

GÖRMEK. (son). Türetilmiş Birimler – Termodinamik . Andalusia, SA’nın Endüstriyel Doğrulamaları https://www.veiasa.es/metrologia/utilidades/unidades_derivadas/termodinamica