Εντροπία

Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη των ενεργειακών μεταβολών που συμβαίνουν ως αποτέλεσμα των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας και της θερμότητας. Η εντροπία είναι η μέτρηση της μη προβλεψιμότητας ή της αταξίας του συστήματος γενικά. Το έτος 1850, ένας Γερμανός φυσικός ονόματι Rudolf Clausius πρότεινε αυτή την υπόθεση. Δεν εξετάζουμε τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά ενός συστήματος ενώ εξετάζουμε την εντροπία από θερμοδυναμική άποψη. Η εντροπία, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει τη συμπεριφορά ενός συστήματος όσον αφορά τις θερμοδυναμικές παραμέτρους όπως η θερμοκρασία, η πίεση, η εντροπία και η θερμική χωρητικότητα. Η συνθήκη ισορροπίας των συστημάτων λήφθηκε υπόψη σε αυτή τη θερμοδυναμική περιγραφή.

Επειδή η τιμή της εντροπίας ή της αλλαγής εντροπίας εξαρτάται από την ουσία που υπάρχει σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα, η εντροπία υποδεικνύεται με το γράμμα «S». Η εντροπία είναι μια συναρπαστική έννοια, καθώς θέτει υπό αμφισβήτηση την έννοια της πλήρους μεταφοράς θερμότητας. Βοηθά στην επανερμηνεία του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

Η εντροπία σχετίζεται με τον αυθορμητισμό, δηλαδή όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός διαταραχής σε μια θερμοδυναμική διαδικασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία. Η εντροπία, με απλά λόγια, μας λέει πόση ενέργεια δεν μετατρέπεται σε εργασία και αντίθετα προσθέτει στην αταξία του συστήματος. Είναι ουσιαστικά αδύνατο να δαπανηθεί όλη η ενέργεια για την ολοκλήρωση της εργασίας, επειδή η ενέργεια παρέχει τη δυνατότητα ανάληψης εργασίας. Η εντροπία είναι μια μέτρηση που μετρά αυτό.

Επειδή ο κανόνας της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να παραχθεί ή να καταστραφεί, αλλά μπορεί να αλλάξει από τη μια μορφή στην άλλη, η εντροπία δεν μπορεί να εκφραστεί σε ένα μόνο σημείο και πρέπει να μετρηθεί ως αλλαγή. Γι' αυτό υπολογίζεται η Αλλαγή Εντροπίας .

Αλλαγή εντροπίας

Η αλλαγή στην κατάσταση αταξίας ενός θερμοδυναμικού συστήματος που σχετίζεται με τη μετατροπή της θερμότητας ή της ενθαλπίας σε έργο είναι γνωστή ως αλλαγή εντροπίας. Η εντροπία είναι υψηλότερη σε ένα σύστημα με υψηλό βαθμό αταξίας. Η εντροπία είναι ένας παράγοντας συνάρτησης κατάστασης, που σημαίνει ότι η τιμή του είναι ανεξάρτητη από την πορεία της θερμοδυναμικής διεργασίας και είναι αποκλειστικά καθοριστικός παράγοντας της αρχικής και της τελικής κατάστασης του συστήματος. Οι αλλαγές στην εντροπία στις χημικές αντιδράσεις προκαλούνται από την αναδιάταξη των ατόμων και των μορίων, η οποία αλλάζει την αρχική σειρά του συστήματος. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση ή μείωση της τυχαιότητας του συστήματος και, ως εκ τούτου, σε αύξηση ή μείωση της εντροπίας.

Αλλαγή στον τύπο της εντροπίας Θερμοδυναμική

Η μεταβολή της εντροπίας ενός θερμοδυναμικού συστήματος συμβολίζεται με ΔS. Χρησιμοποιώντας τον τύπο αλλαγής της εντροπίας, μπορούμε να υπολογίσουμε την αλλαγή εντροπίας μιας χημικής αντίδρασης ή ενός συστήματος:

ΔS =(Q/T)rev

Θερμοκρασία

Q τη μεταφορά θερμότητας προς ή από το θερμοδυναμικό σύστημα

T είναι η απόλυτη θερμοκρασία.

Η αλλαγή της εντροπίας της μονάδας SI είναι J/Kmol.

Παράδειγμα:Η εντροπία της εξάτμισης του νερού μπορεί να εκτιμηθεί διαιρώντας τη θερμότητα της εξάτμισης με το σημείο βρασμού, που είναι 1000 βαθμοί Κελσίου ή 373 βαθμοί Φαρενάιτ.

Αλλαγές εντροπίας κατά τη μετάβαση φάσης

Εντροπία σύντηξης

Όταν ένα στερεό αρχίζει να λιώνει σε υγρό, η εντροπία αυξάνεται. Με τη μετατόπιση φάσης, η εντροπία αυξάνεται καθώς αυξάνεται η ελευθερία κινήσεων των μορίων.

Η εντροπία της σύντηξης υπολογίζεται διαιρώντας την ενθαλπία της σύντηξης με το σημείο τήξης (θερμοκρασία σύντηξης).

∆fusS=∆fusH / Tf

Όταν η σχετική αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι αρνητική, θα συμβεί ένα φυσικό γεγονός όπως η μετάβαση φάσης (π.χ. σύντηξη).

Το ∆fusS είναι σχεδόν πάντα θετικό.

Εξαίρεση:Σε θερμοκρασίες κάτω των 0,3 Κ, το ήλιο-3 έχει αρνητική εντροπία σύντηξης. Κάτω από 0,8 K, το ήλιο-4 έχει μια ελαφρώς αρνητική εντροπία σύντηξης.

Εντροπία εξάτμισης

Η εντροπία της εξάτμισης είναι μια κατάσταση στην οποία η εντροπία ενός υγρού αυξάνεται καθώς μετατρέπεται σε ατμό. Αυτό προκαλείται από την αύξηση της μοριακής κινητικότητας, η οποία προκαλεί την κίνηση να γίνεται τυχαία.

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

∆vapS=∆vapH / Tb

Τυπική εντροπία σχηματισμού ένωσης

Όταν δημιουργείται ένα mole μιας ένωσης σε τυπική κατάσταση από τα στοιχεία σε τυπική κατάσταση, υπάρχει μια αλλαγή εντροπίας.

Αυθορμητισμός

Οι εξώθερμες αντιδράσεις συμβαίνουν φυσικά επειδή το περιβάλλον είναι θετικό, καθιστώντας το σύνολο θετικό.

Επειδή το σύστημα ΔS είναι θετικό και το ΔS περιβάλλον είναι αρνητικό, αλλά  ΔS συνολικά θετικό, οι ενδόθερμες αντιδράσεις είναι αυθόρμητες.

Τα κριτήρια αλλαγής ελεύθερης ενέργειας είναι προτιμότερα από τα κριτήρια αλλαγής εντροπίας για την πρόβλεψη του αυθορμητισμού, επειδή το πρώτο απαιτεί μόνο αλλαγή ελεύθερης ενέργειας στο σύστημα, ενώ το δεύτερο απαιτεί αλλαγή εντροπίας τόσο στο περιβάλλον όσο και στο σύστημα.

Negentropy

Είναι το πολικό αντίθετο της εντροπίας. Υπονοεί ότι τα πράγματα γίνονται πιο οργανωμένα. Ο όρος «τάξη» αναφέρεται στην οργάνωση, τη δομή και τη λειτουργία κάτι. Είναι το πολικό αντίθετο του χάους ή της τυχαιότητας.

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

Ενθαλπία

Η μέτρηση της ενέργειας σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα/περιβάλλον είναι ενθαλπία. Η συνολική περιεκτικότητα σε θερμότητα σε ένα σύστημα είναι η ενθαλπία, η οποία είναι στην πραγματικότητα ίση με την εσωτερική ενέργεια του συστήματος συν το γινόμενο του όγκου και της πίεσης.

Η ενθαλπία είναι ένας τεχνικός όρος που υποδηλώνει τη συνολική ποσότητα εσωτερικής ενέργειας που απαιτείται για τη δημιουργία ενός συστήματος καθώς και την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να δημιουργηθεί χώρος για αυτό καθορίζοντας την πίεση και τον όγκο του και μετατοπίζοντας το περιβάλλον του.

Η θερμότητα που αναπτύχθηκε (είτε απορροφάται είτε απελευθερώνεται)  ισούται με τη μεταβολή της ενθαλπίας όταν μια διαδικασία ξεκινά με σταθερή πίεση.

H=U+PV

Η ενθαλπία μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως συνάρτηση κατάστασης που αποτελείται εξ ολοκλήρου από τις συναρτήσεις κατάστασης P, T και U. Συνήθως αποδεικνύεται από τη διαφορά στην ενθαλπία (H) μιας διεργασίας μεταξύ της αρχικής και της τελικής της κατάστασης.

ΔH=ΔU+ΔPV

Η αλλαγή στην ενθαλπία δίνεται από, εάν η πίεση και η θερμοκρασία δεν αλλάζουν καθ' όλη τη διάρκεια της λειτουργίας και η εργασία περιορίζεται στην πίεση και τον όγκο.

ΔH=ΔU+PΔV

Σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση, η ροή της θερμότητας (q) σε σταθερή πίεση σε μια διεργασία ισούται με τη μεταβολή της ενθαλπίας.

ΔH=q

Γνωρίζοντας εάν το q είναι ενδόθερμο ή εξώθερμο μπορεί να βοηθήσει στον καθορισμό μιας σχέσης μεταξύ q και H.

Συμπέρασμα

Στη φύση, τα συστήματα έχουν μια τάση να προοδεύουν προς την αύξηση του χάους ή της απρόβλεπτης ικανότητας. Η τάση του Κόσμου να κινείται προς την αταξία ή το απρόβλεπτο είναι γνωστή ως εντροπία. Η αδιαβατική διαδικασία έχει σταθερή εντροπία επειδή η μεταβολή της εντροπίας είναι μηδέν. Το άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας ενός θερμοδυναμικού συστήματος και του γινόμενου της πίεσης και του όγκου του ονομάζεται ενθαλπία. Η ενθαλπία είναι μια ενεργειακή ιδιότητα ή συνάρτηση κατάστασης που έχει τις διαστάσεις της ενέργειας (και έτσι μετριέται σε joules ή ergs) και η τιμή της καθορίζεται εξ ολοκλήρου από τη θερμοκρασία, την πίεση και τη σύνθεση του συστήματος, όχι από την ιστορία του.