Σταθερά εντροπίας στο Τριπλό Σημείο του Νερού

Η εντροπία ενός συστήματος αναφέρεται στην ποσότητα θερμικής ενέργειας ανά μονάδα θερμοκρασίας που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Η μοριακή κίνηση οδηγεί σε εργασία. Έτσι, η εντροπία είναι επίσης ένα μέτρο της αταξίας ή της τυχαιότητας ενός συστήματος. Υπολογίζει την ενέργεια που ένα αντικείμενο δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει για να κάνει εργασία. Μετρά επίσης τον αριθμό των διατάξεων που μπορεί να λάβει ένα άτομο σε ένα σύστημα. Σύμφωνα με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής, η εντροπία παραμένει η ίδια ανεξάρτητα από την κατεύθυνση του χρόνου. Η εντροπία μπορεί να είναι σταθερή μόνο εάν το σύστημα βρίσκεται στην πιο άτακτη κατάσταση. Στο τριπλό σημείο, τρεις φάσεις μιας συγκεκριμένης ουσίας μπορούν να συνυπάρχουν ταυτόχρονα, όπως η αέρια, η υγρή και η στερεά. Επομένως, η εντροπία είναι σταθερή στο τριπλό σημείο του νερού. Η κατεύθυνση της αυθόρμητης αλλαγής με βάση την εντροπία μπορεί να εξηγήσει αρκετά φαινόμενα. Ο Γερμανός φυσικός Rudolf Clausius εισήγαγε ένα βασικό στοιχείο της φυσικής του 19ου αιώνα το 1850.

Ερμηνείες της Εντροπίας

• Ο Von Neumann χρησιμοποίησε έναν πίνακα πυκνότητας για να επεκτείνει την έννοια της εντροπίας στον κβαντικό τομέα στην κβαντική στατιστική μηχανική.
• Αναφέρεται σε ένα μέτρο του πόσο αποτελεσματικά ένα σύστημα μεταδίδει ένα σήμα ή την ποσότητα των πληροφοριών που χάνονται σε ένα μεταδιδόμενο σήμα στο πλαίσιο της θεωρίας πληροφοριών.
• Στα δυναμικά συστήματα, η εντροπία αντιπροσωπεύει την αυξανόμενη πολυπλοκότητα ενός συστήματος. Υπολογίζει επίσης τον μέσο ρυθμό ροής πληροφοριών ανά μονάδα χρόνου.
• Σύμφωνα με την κοινωνιολογία, η εντροπία είναι η κοινωνική υποβάθμιση ή η φυσική αποσύνθεση της δομής σε ένα κοινωνικό σύστημα (όπως νόμος, οργάνωση και σύμβαση).
• Η τάση του Κόσμου να προσεγγίζει μια κατάσταση μέγιστης ομοιογένειας αναφέρεται ως εντροπία στην κοσμολογία. Μια σταθερή θερμοκρασία συνεπάγεται σταθερή εντροπία.
• Ωστόσο, η εντροπία χρησιμοποιείται πλέον σε πολλά άλλα πεδία που δεν σχετίζονται με τη φυσική ή τα μαθηματικά και πρέπει να παραδεχτούμε ότι έχει χάσει τον αυστηρό ποσοτικό της χαρακτήρα.

Η εντροπία και οι ιδιότητές της

• Η εντροπία είναι συνάρτηση της θερμοδυναμικής.
• Είναι μια συνάρτηση κατάστασης. Αντί για την επιλεγμένη διαδρομή, το αποτέλεσμα καθορίζεται από την κατάσταση του συστήματος.
• Γενικά αντιπροσωπεύεται από S; Ωστόσο, στην κανονική κατάσταση, αντιπροσωπεύεται από S°.
• Το J/Kmol είναι η μονάδα SI.
• Cal/Kmol είναι η μονάδα CGS.
• Η εντροπία ενός συστήματος είναι μια εκτεταμένη ποιότητα, που σημαίνει ότι επεκτείνεται ανάλογα με το μέγεθος ή το εύρος του.

Ένα απομονωμένο σύστημα θα έχει περισσότερη αταξία, οδηγώντας σε μεγαλύτερη εντροπία. Η εντροπία αυξάνεται επίσης όταν οι χημικές αντιδράσεις διασπώνται σε περισσότερα προϊόντα. Σε ένα σύστημα σε υψηλότερη θερμοκρασία, η τυχαιότητα είναι μεγαλύτερη από ότι σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Με αυτά τα παραδείγματα, είναι σαφές ότι η εντροπία αυξάνεται με μείωση της κανονικότητας.

                                      Σειρά εντροπίας:αέριο> υγρό> στερεά

Αλλαγή της εντροπίας και των υπολογισμών της

Ως μέρος μιας αλλαγής εντροπίας, μια διεργασία ορίζεται ως η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται ή απορροφάται ισόθερμα και αναστρέψιμα διαιρούμενη με την απόλυτη θερμοκρασία. Ο τύπος εντροπίας έχει ως εξής:

∆S =qrev,iso/T.

Όταν προστίθεται η ίδια ποσότητα θερμότητας σε υψηλότερες και χαμηλότερες θερμοκρασίες, η τυχαιότητα θα είναι μεγαλύτερη στη χαμηλότερη θερμοκρασία. Από αυτό προκύπτει ότι η θερμοκρασία είναι αντιστρόφως ανάλογη της εντροπίας.

•  Θερμοδυναμικά, οι αυθόρμητες διεργασίες είναι μη αναστρέψιμες.

• Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, η μη αναστρέψιμη διαδικασία θα φτάσει σε ισορροπία.

Συνολική μεταβολή εντροπίας, ∆Σύνολο =∆Περιβάλλον + ∆Σύστηµα

Η συνολική μεταβολή της εντροπίας είναι ίση με το άθροισμα των αλλαγών της εντροπίας στο σύστημα και στα περίχωρά του.

Εάν ένα σύστημα χάνει θερμότητα q σε θερμοκρασία T1, η οποία λαμβάνεται από το περιβάλλον σε θερμοκρασία T2, το σύνολο ΔS μπορεί να υπολογιστεί ως,

∆System =-q/T1

∆Περιβάλλον =q/T2

∆Σύνολο =-q/T1 + q/T2

• Όταν το ∆Total είναι θετικό, η διαδικασία είναι αυθόρμητη.
• Εάν το ∆Total είναι αρνητικό, τότε η διαδικασία είναι μη αυθόρμητη.
• Όταν το ∆Σύνολο είναι μηδέν, η διαδικασία βρίσκεται σε ισορροπία.

Όταν ένα ιδανικό αέριο διαστέλλεται ισόθερμα αναστρέψιμα, η εντροπία αλλάζει

∆S =qrev,iso/T.

Ακολουθώντας τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής,

∆U =q + w

Η ισοθερμική διαστολή ενός ιδανικού αερίου είναι, ΔU =0

qrev =-wrev =nRTln(V2/V1)

Επομένως,

∆S =nRln(V2/V1)

Ρόλος της εντροπίας εξάτμισης

Καθώς τα υγρά μετατρέπονται σε ατμούς, αυξάνεται η εντροπία. Μια αύξηση της μοριακής κίνησης προκαλεί μια τυχαία κίνηση.

Η εντροπία της εξάτμισης ισούται με την ενθαλπία της εξάτμισης διαιρούμενη με το σημείο βρασμού. Μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

∆vapS =∆vapH/Tb

Τυπική εντροπία σχηματισμού μιας ένωσης

Μια αλλαγή εντροπίας συμβαίνει όταν ένα mole μιας ένωσης σε τυπική κατάσταση δημιουργείται από τα στοιχεία σε τυπική κατάσταση.

Ρόλος του αυθορμητισμού

• Στις εξώθερμες αντιδράσεις, υπάρχουν αυθόρμητες αντιδράσεις επειδή το εξωτερικό περιβάλλον είναι θετικό, γεγονός που οδηγεί σε θετικό σύνολο.
• Η ενδόθερμη αντίδραση συμβαίνει όταν το σύστημα είναι θετικό, το περιβάλλον είναι αρνητικό, αλλά το συνολικό σύνολο είναι θετικό.
• Η χρήση κριτηρίων αλλαγής ελεύθερης ενέργειας είναι καλύτερη από τη χρήση κριτηρίων αλλαγής εντροπίας, επειδή το πρώτο απαιτεί μόνο αλλαγή ελεύθερης ενέργειας του συστήματος, ενώ το δεύτερο απαιτεί αλλαγή εντροπίας τόσο του συστήματος όσο και του περιβάλλοντος χώρου.

Επίδραση της Νεγεντροπίας στην Εντροπία

Η νεγεντροπία είναι το αντίστροφο της εντροπίας. Δείχνει ότι τα πράγματα γίνονται πιο τακτοποιημένα. Με τον όρο τάξη, εννοούμε τη δομή, την οργάνωση και τη λειτουργία. Αντιτίθενται στην τυχαιότητα ή στο χάος.

Ένα αστρικό σύστημα όπως το ηλιακό σύστημα είναι ένα παράδειγμα νεγεντροπίας.

Το Τριπλό Σημείο του Νερού

• Το τριπλό σημείο μιας ουσίας είναι η θερμοκρασία και η πίεση στην οποία μπορεί να υπάρχει και στις τρεις φάσεις (στερεό, υγρό και αέριο) σε ισορροπία.
• Σε μια τριπλή διασταύρωση, οι τρεις φάσεις (στερεό, υγρό και ατμός) μιας ουσίας μπορούν να συνυπάρχουν σε θερμική ισορροπία.
• Η θερμική ισορροπία μπορεί να συμβεί μόνο σε δύο (ή μία) φάσεις σε όλες τις άλλες θερμοκρασίες. Τελικά, ο πάγος, το νερό και οι υδρατμοί θα φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία.
• Ο παρών αέρας απομακρύνει την ισορροπία.

Σταθερά εντροπίας στο Τριπλό Σημείο του Νερού

Το τριπλό σημείο είναι μια κατάσταση ταυτόχρονης ισορροπίας μεταξύ της στερεάς, της υγρής και της αέριας φάσης.

Σε μια τέτοια περίπτωση, μπορεί κανείς απλά να γράψει:

ΔS =ΔH/T

Συνέπεια ΔG =0. Στην περίπτωση υδατογραμμομοριακών (m) ενθαλπιών στους 273 K,

Αλλαγή εντροπίας κατά την αναστρέψιμη αδιαβατική επέκταση

Κατά τη διάρκεια μιας αδιαβατικής διαδικασίας, η ανταλλαγή θερμότητας είναι μηδέν (q =0), υποδηλώνοντας ότι η αναστρέψιμη αδιαβατική διαστολή λαμβάνει χώρα σε σταθερή εντροπία (ισεντροπική),

q =0

Επομένως,

∆S =0.

Αν και η αναστρέψιμη αδιαβατική διαστολή είναι ισεντροπική, η μη αναστρέψιμη αδιαβατική διαστολή δεν είναι.

∆S δεν ισούται με μηδέν.

Συμπέρασμα

Η εντροπία ενός αντικειμένου αντιπροσωπεύει την ποσότητα ενέργειας που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση εργασίας. Η εντροπία είναι επίσης ένα μέτρο του αριθμού των πιθανών διατάξεων που μπορούν να έχουν τα άτομα σε ένα σύστημα.

Λόγω του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, η εντροπία παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από την κατεύθυνση του χρόνου. Η εντροπία, ωστόσο, μπορεί να είναι σταθερά μόνο εάν το σύστημα βρίσκεται στην κατάσταση της μεγαλύτερης αταξίας.

Το τριπλό σημείο είναι η θερμοκρασία και η πίεση στην οποία μπορούν να συνυπάρχουν τρεις διαφορετικές φάσεις μιας ουσίας, όπως η αέρια, η υγρή και η στερεά. Ως αποτέλεσμα, στο τριπλό σημείο του νερού, η εντροπία είναι σταθερή. Επομένως, η εντροπία είναι σταθερή στο τριπλό σημείο του νερού.