Σημειώσεις για την Εντροπία

Η εντροπία είναι ένα ποιοτικό μέτρο της ποσότητας ενέργειας των υποατομικών σωματιδίων που εξαπλώνονται σε μια διεργασία και μπορεί να εκφραστεί με όρους στατιστικής πιθανότητας ενός συστήματος ή άλλων θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών. Η εντροπία είναι μια θερμοδυναμική μεταβλητή που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη διαδρομή μιας διεργασίας, όπως εάν είναι μια αυθόρμητη διεργασία με πιθανότητα να συμβεί σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση ή ίσως μια μη αυθόρμητη διεργασία με πιθανότητα να συμβεί αντίθετα. Για πολλά καθημερινά περιστατικά, η έννοια της εντροπίας δίνει μια βαθύτερη κατανόηση της διαδρομής της αυθόρμητης αλλαγής.

Όλα για την Εντροπία

Ρούντολφ Κλαούσιους

Ο Rudolf Clausius πρότεινε ένα νέο θερμοδυναμικό χαρακτηριστικό που συνδέει τη φυσική ροή θερμότητας που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας με τη θερμοκρασία. Ο λόγος της αναστρέψιμης θερμότητας (qrev) προς τη θερμοκρασία Κέλβιν χρησιμοποιήθηκε για να εκφράσει αυτό το νέο χαρακτηριστικό (T). Όπως και άλλες θερμοδυναμικές ιδιότητες, αυτή η νέα ποσότητα είναι μια συνάρτηση κατάστασης, που σημαίνει ότι η αλλαγή της εξαρτάται αποκλειστικά από τις αρχικές και τελικές καταστάσεις του συστήματος. Ο Clausius αναγνώρισε αυτό το χαρακτηριστικό εντροπία (S) το 1865 και χαρακτήρισε την παραλλαγή του για οποιαδήποτε διεργασία ως:

Η μεταβολή της εντροπίας είναι ίση όταν μια πραγματική, μη αναστρέψιμη διεργασία έχει τις ίδιες αρχικές και τελικές καταστάσεις με μια θεωρητική αναστρέψιμη διαδικασία.

Σύγκριση μεταξύ εντροπιών

Τα άτομα ή τα μόρια στη στερεά φάση περιορίζονται σε σχετικά σταθερές θέσεις μεταξύ τους και μπορούν να κάνουν μόνο μικρές ταλαντώσεις γύρω από αυτές τις θέσεις. Τα άτομα ή τα μόρια στην υγρή φάση μπορούν να κινούνται γύρω και μεταξύ τους, ενώ παραμένουν σχετικά κοντά το ένα στο άλλο. Ως αποτέλεσμα της ενισχυμένης ευελιξίας της κίνησης, ο αριθμός των πιθανών θέσεων σωματιδίων αυξάνεται. Συνέπεια, Sliquid> Ssolid, και η διαδικασία μετατροπής ενός στερεού σε υγρό (τήξη) συνοδεύεται από αύξηση της εντροπίας,  ΔS> 0. Σύμφωνα με το ίδιο επιχείρημα, η αντίστροφη διαδικασία (πάγωμα) έχει χαμηλότερη εντροπία, ΔS <0.Για οποιαδήποτε ουσία, Sgas> Sliquid> Ssolid

Παράγοντες που επηρεάζουν την εντροπία

Δομή σωματιδίων

Η διάταξη των συστατικών (άτομα ή μόρια) που συνθέτουν μια ουσία επηρεάζει την εντροπία της. Στις ατομικές ουσίες, τα βαρύτερα άτομα έχουν περισσότερη εντροπία σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία από τα ελαφρύτερα άτομα λόγω της σχέσης μεταξύ της μάζας ενός σωματιδίου και του διαχωρισμού των κβαντισμένων καταστάσεων μεταφραστικής ενέργειας. Όταν υπάρχουν περισσότερα άτομα σε ένα μόριο, ο αριθμός των τρόπων με τους οποίους τα μόρια μπορούν να ταλαντωθούν αυξάνεται, όπως και η ποσότητα των πιθανών μικροκαταστάσεων και η εντροπία του συστήματος.

Θερμοκρασία

Η θερμοκρασία ενός σωματιδίου είναι ανάλογη με τη μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων του, σύμφωνα με την κινητική-μοριακή θεωρία. Η αύξηση της θερμοκρασίας της ουσίας αναγκάζει τα σωματίδια στα στερεά να δονούνται ευρύτερα και τα μόρια στα υγρά και τα αέρια να μεταφράζονται πιο γρήγορα. Η διασπορά της κινητικής ενέργειας μεταξύ ορισμένων από τα επιμέρους σωματίδια του στοιχείου είναι επίσης ευρύτερη (περισσότερο διασκορπισμένη) σε υψηλότερες θερμοκρασίες από ότι σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Ως αποτέλεσμα, η εντροπία οποιασδήποτε ουσίας αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.

Δόνηση ενός σωματιδίου

Η εντροπία ενός είδους επηρεάζεται από διακυμάνσεις στα χαρακτηριστικά των σωματιδίων. Η εντροπία ενός συνδυασμού δύο ή περισσότερων χωριστών τύπων σωματιδίων είναι μεγαλύτερη από εκείνη μιας καθαρής ουσίας όπου όλα τα σωματίδια είναι πανομοιότυπα. Αυτό οφείλεται στις διάφορες ευθυγραμμίσεις και αλληλεπιδράσεις που μπορεί να έχει ένα σύστημα που αποτελείται από μη πανομοιότυπα στοιχεία. Ως αποτέλεσμα, η φάση της διάλυσης περιέχει μια αύξηση της εντροπίας, ΔS> 0.

Παραδείγματα εντροπίας

Καθώς μια πλάκα πάγου λιώνει, η εντροπία της αυξάνεται. Είναι ξεκάθαρο να δούμε πώς αυξάνεται η αστάθεια του συστήματος. Ο πάγος αποτελείται από μόρια νερού συνδεδεμένα μεταξύ τους σε μια κρυσταλλική δομή. Όταν ο πάγος λιώνει, τα σωματίδια αποκτούν ενέργεια, απλώνονται περισσότερο και χάνουν τη δομή, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται ένα υγρό. Ομοίως, η αλλαγή από υγρό σε αέριο αυξάνει την ενέργεια του συστήματος, όπως υγρό σε ατμό.

Από την άλλη πλευρά, η ενέργεια μπορεί να εξαντληθεί. Αυτό συμβαίνει όταν ο ατμός μετατρέπεται σε νερό ή όταν το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Επειδή τα πράγματα δεν είναι σε ένα κλειστό σύστημα, ο δεύτερος νόμος δεν παραβιάζεται. Αν και η εντροπία του συστήματος που εξετάζεται μπορεί να μειώνεται, αυτή του περιβάλλοντος αυξάνεται.

Συμπέρασμα

Ο αριθμός των μικροκαταστάσεων για μια δομή (ο αριθμός των μεθόδων που μπορεί να διαμορφωθεί το σύστημα) και η αναλογία της αμφίδρομης θερμότητας προς τη θερμοκρασία Κέλβιν συνδέονται με την εντροπία (S). Συχνά αναφέρεται ως ένδειξη της «διαταραχής» ενός συστήματος και μπορεί να θεωρηθεί ως μέτρηση της κατανομής ή της διασποράς υλικού ή/και ενέργειας σε ένα σύστημα.

Η εντροπία είναι συχνά υψηλότερη για βαρείς πυρήνες ή πιο πολύπλοκα μόρια σε μια δεδομένη ουσία,  Sgas> Sliquid> Ssolid  σε μια συγκεκριμένη φυσική κατάσταση σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Όταν ένα σώμα θερμαίνεται ή όταν αναπτύσσεται ένα διάλυμα, η εντροπία αυξάνεται. Η κατεύθυνση των διακυμάνσεων της εντροπίας για ορισμένες χημικές διεργασίες μπορεί να προβλεφθεί αξιόπιστα χρησιμοποιώντας αυτούς τους κανόνες.