Kas ir entropija un kā to aprēķināt

Entropijas nozīme fizikā

Entropija ir sistēmas nejaušības vai nekārtības mērs. Atomic Imagery/Getty Images

Entropija tiek definēta kā kvantitatīvs nekārtības vai nejaušības mērs sistēmā. Koncepcija nāk no termodinamika , kas attiecas uz nodošanu siltumenerģija sistēmas ietvaros. Tā vietā, lai runātu par kādu 'absolūtās entropijas' formu, fiziķi parasti apspriež entropijas izmaiņas, kas notiek noteiktā termodinamiskais process .

Galvenās atziņas: entropijas aprēķināšana

• Entropija ir makroskopiskās sistēmas varbūtības un molekulāro traucējumu mērs.
• Ja katra konfigurācija ir vienādi iespējama, tad entropija ir konfigurāciju skaita naturālais logaritms, kas reizināts ar Bolcmana konstanti: S = k_Bln
• Lai entropija samazinātos, jums ir jāpārnes enerģija no kaut kur ārpus sistēmas.

Kā aprēķināt entropiju

In an izotermisks process , entropijas izmaiņas (delta- S ) ir siltuma izmaiņas ( J ) dalīts ar absolūtā temperatūra ( T ):

delta- S = J / T

Jebkurā atgriezeniskā termodinamiskā procesā to var attēlot aprēķinos kā integrāli no procesa sākuma stāvokļa līdz tā galīgajam stāvoklim. dQ / T. Vispārīgākā nozīmē entropija ir makroskopiskās sistēmas varbūtības un molekulāro traucējumu mērs. Sistēmā, ko var aprakstīt ar mainīgajiem lielumiem, šie mainīgie var pieņemt noteiktu skaitu konfigurāciju. Ja katra konfigurācija ir vienādi iespējama, tad entropija ir konfigurāciju skaita dabiskais logaritms, kas reizināts ar Bolcmana konstanti:

S = k_Bln

kur S ir entropija, k_Bir Bolcmaņa konstante, ln ir naturālais logaritms, un W apzīmē iespējamo stāvokļu skaitu. Bolcmana konstante ir vienāda ar 1,38065 × 10²³J/K.

Entropijas vienības

Entropija tiek uzskatīta par ekstensīvu matērijas īpašību, kas tiek izteikta kā enerģija dalīta ar temperatūru. The SI mērvienības entropijas ir J/K (džouli/Kelvina grādi).

Entropija un otrais termodinamikas likums

Viens veids, kā norādīt otrais termodinamikas likums ir šāds: jebkurā slēgta sistēma , sistēmas entropija vai nu paliks nemainīga, vai palielināsies.

To var apskatīt šādi: siltuma pievienošana sistēmai izraisa molekulu un atomu paātrināšanos. Var būt iespējams (lai gan sarežģīti) apgriezt procesu slēgtā sistēmā, negūstot enerģiju no vai neatbrīvojot enerģiju kaut kur citur, lai sasniegtu sākotnējo stāvokli. Jūs nekad nevarat padarīt visu sistēmu “mazāk enerģisku” nekā tad, kad tā sākās. Enerģijai nav kur iet. Neatgriezeniskiem procesiem sistēmas un tās vides apvienotā entropija vienmēr palielinās.

Nepareizi priekšstati par entropiju

Šis uzskats par otro termodinamikas likumu ir ļoti populārs, un tas ir ļaunprātīgi izmantots. Daži apgalvo, ka otrais termodinamikas likums nozīmē, ka sistēma nekad nevar kļūt sakārtotāka. Tā ir nepatiesība. Tas tikai nozīmē, ka, lai kļūtu sakārtotāks (lai samazinātos entropija), jums ir jāpārnes enerģija no kaut kur ārpus sistēmas, piemēram, kad grūtniece smeļas enerģiju no pārtikas, lai apaugļotā olšūna kļūtu par mazuli. Tas pilnībā atbilst otrā likuma noteikumiem.

Entropiju sauc arī par nekārtībām, haosu un nejaušību, lai gan visi trīs sinonīmi ir neprecīzi.

Absolūtā entropija

Saistīts termins ir “absolūtā entropija”, ko apzīmē ar S nevis S . Absolūto entropiju nosaka saskaņā ar trešo termodinamikas likumu. Šeit tiek piemērota konstante, kas padara to tā, ka entropija pie absolūtās nulles ir definēta kā nulle.