מהי אנטרופיה?

אנטרופיה היא מושג חשוב בפיזיקה כימיהבנוסף ניתן להחיל אותו על תחומים אחרים, כולל קוסמולוגיה וכלכלה. בפיזיקה זה חלק מהתרמודינמיקה. בכימיה, זהו מושג ליבה ב- כימיה פיזיקלית.

מקשי מפתח: אנטרופיה

אנטרופיה היא מדד ההפרעה של מערכת. זה נכס נרחב של מערכת תרמודינמית, שמשמעותה ערכה משתנה בהתאם לכמות של משנה זה קיים. במשוואות, בדרך כלל מצוין האנטרופיה על ידי האות S ו- יש יחידות של ג'ולס לכל קלווין (J⋅K⁻¹) או ק"ג²⋅s⁻²⋅K⁻¹. למערכת שהוזמנה מאוד יש אנטרופיה נמוכה.

ישנן דרכים רבות לחישוב אנטרופיה, אך שתי המשוואות הנפוצות ביותר הן לתהליכים תרמודינמיים הפיכים תהליכים איזותרמיים (טמפרטורה קבועה).

אנטרופיה של תהליך הפיך

הנחות מסוימות מתקבלות בחישוב האנטרופיה של תהליך הפיך. כנראה שההנחה החשובה ביותר היא שכל תצורה בתהליך היא סבירה באותה מידה (מה שאולי לא יהיה בפועל). בהתחשב בהסתברות שווה לתוצאות, האנטרופיה שווה לקבוע של בולצמן (k

S = k_ב ב W

הקבוע של בולצמן הוא 1.38065 × 10−23 J / K.

אנטרופיה של תהליך איזותרמי

ניתן להשתמש בחשבון כדי למצוא את האינטגרל של dQ/ט מהמצב הראשוני למצב הסופי, היכן ש הוא חום ו ט האם ה טמפרטורה מוחלטת (קלווין) של מערכת.

דרך נוספת לקבוע זאת היא שהשינוי באנטרופיה (ΔS) שווה לשינוי בחום (ΔQ) חלקי הטמפרטורה המוחלטת (ט):

ΔS = ΔQ / ט

אנטרופיה ואנרגיה פנימית

בכימיה פיזיקלית ותרמודינמיקה, אחת המשוואות השימושיות ביותר קשורה לאנטרופיה לאנרגיה הפנימית (U) של מערכת:

dU = T dS - p dV

כאן, השינוי באנרגיה הפנימית dU שווה לטמפרטורה מוחלטת ט כפול השינוי באנטרופיה מינוס לחץ חיצוני ע והשינוי בנפח V.

ה החוק השני של התרמודינמיקה קובע את האנטרופיה הכוללת של א מערכת סגורה לא יכול להקטין. עם זאת, בתוך מערכת, אנטרופיה של מערכת אחת פחית ירידה על ידי העלאת האנטרופיה של מערכת אחרת.

ישנם מדענים המנבאים כי האנטרופיה של היקום תגבר עד לנקודה בה האקראיות יוצרת מערכת שאינה מסוגלת לעבוד מועיל. כאשר נותר רק אנרגיה תרמית, ניתן לומר כי היקום מת ממוות חום.

עם זאת, מדענים אחרים חולקים על התיאוריה של מוות חום. יש הטוענים כי היקום כשמערכת מתרחקת הרחק מהאנטרופיה, אפילו כאשר האזורים בתוכו מתגברים באנטרופיה. אחרים רואים ביקום כחלק ממערכת גדולה יותר. אחרים טוענים כי למצב האפשרי אין סיכוי שווה, ולכן משוואות רגילות לחישוב אנטרופיה אינן תקפות.

גוש קרח יגדל ב אנטרופיה כשהוא נמס. קל לדמיין את העלייה בהפרעה במערכת. קרח מורכב ממולקולות מים הקשורות זו בזו בסריג גביש. כאשר קרח נמס, מולקולות משיגות אנרגיה רבה יותר, מתפשטות זו מזו ומאבדות מבנה ליצירת נוזל. באופן דומה, שלב השינוי מנוזל לגז, כמו מים לאדים, מגביר את האנרגיה של המערכת.

בצד ההפוך האנרגיה יכולה לרדת. זה מתרחש כאשר אדים משנים שלב למים או כאשר מים משתנים לקרח. החוק השני של התרמודינמיקה אינו מופר משום שהעניין אינו נמצא במערכת סגורה. בעוד שהאנטרופיה של המערכת הנחקרת עשויה להצטמצם, זו של הסביבה עולה.

אנטרופיה נקראת לעתים קרובות חץ הזמן מכיוון שחומר במערכות מבודדות נוטה לעבור מסדר להפרעה.

• אטקינס, פיטר; חוליו דה פאולה (2006). כימיה פיזיקלית (מהדורה 8). הוצאת אוניברסיטת אוקספורד. ISBN 978-0-19-870072-2.
• צ'אנג, ריימונד (1998). כימיה (מהדורה 6). ניו יורק: מקגרו היל. ISBN 978-0-07-115221-1.
• קלאוזיוס, רודולף (1850). על כוח המניע של החום ועל החוקים שניתן להסיק ממנו על תורת החום. של פוגנדורף אנאלן דר פיזיק, LXXIX (הדפסה חוזרת של Dover). ISBN 978-0-486-59065-3.
• לנדסברג, P.T. (1984). "האם אנטרופיה ו"הזמין" יגדלו יחד? ". מכתבי פיזיקה. 102 א (4): 171–173. doi:10.1016/0375-9601(84)90934-4
• ווטסון, J.R.; קרסון, E.M. (מאי 2002). "הבנות הסטודנטים לתואר הראשון באנטרופיה ובאנרגיה חופשית של ג'יבס." חינוך לכימיה באוניברסיטה. 6 (1): 4. ISSN 1369-5614