Αλλαγή εντροπίας και υπολογισμοί

Η εντροπία περιγράφεται ως ένα ποσοτικοποιήσιμο μέτρο της διαταραχής ή της μη προβλεψιμότητας ενός συστήματος. Η ιδέα πηγάζει από τη θερμοδυναμική, η οποία ασχολείται με τη μεταφορά θερμικής ενέργειας μέσα σε ένα σύστημα. Οι φυσικοί συχνά περιγράφουν την αλλαγή στην εντροπία που συμβαίνει σε μια δεδομένη θερμοδυναμική διαδικασία, αντί για οποιοδήποτε είδος «απόλυτης εντροπίας».

Όπου np και nr είναι οι στοιχειομετρικοί συντελεστές των προϊόντων και των αντιδρώντων στην ισορροπημένη εξίσωση, αντίστοιχα.

Για να σας δώσουμε ένα παράδειγμα, ΔS°rxn θα είναι η αντίδραση σε θερμοκρασία δωματίου.

Η εντροπία σχετίζεται με τον αυθορμητισμό, που σημαίνει ότι όσο περισσότερος είναι ο αυθορμητισμός σε μια θερμοδυναμική διαδικασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία ή ο βαθμός διαταραχής της. Με άλλα λόγια, η εντροπία περιγράφει το ποσοστό της ενέργειας που δεν μετατρέπεται σε εργασία που έχει γίνει και αντίθετα συμβάλλει στην αταξία του συστήματος. Επειδή η ενέργεια παρέχει τη δυνατότητα εκτέλεσης εργασίας, είναι σχεδόν αδύνατο να χρησιμοποιηθεί όλη η ενέργεια για την εκτέλεση εργασίας. Η εντροπία είναι ένα μέτρο αυτού.

Επειδή η ενέργεια δεν μπορεί να παραχθεί ή να καταστραφεί, αλλά μπορεί να αλλάξει μόνο από τη μια μορφή στην άλλη, είναι αδύνατο να συμβολίσουμε την εντροπία σε μια μόνο θέση, και έτσι μπορεί να μετρηθεί μόνο ως αλλαγή και θα πρέπει να υπολογίσουμε τη μεταβολή της εντροπίας .

Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας στο περιβάλλον 

Μέχρι στιγμής, έχετε μάθει πώς να υπολογίζετε την αλλαγή εντροπίας ενός συστήματος για μια συγκεκριμένη αντίδραση, εάν γνωρίζετε τις εντροπίες όλων των χημικών ουσιών που εμπλέκονται. Η μεταβολή της εντροπίας του περιβάλλοντος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μια απλή εξίσωση.

ΔΗ είναι η μεταβολή της ενθαλπίας για την αντίδραση. T είναι η θερμοκρασία.

Οι μονάδες μεταβολής ενθαλπίας και μεταβολής εντροπίας δεν ταιριάζουν. Όταν δίνετε τιμές για την αλλαγή της ενθαλπίας, οι μονάδες ενέργειας θα είναι kJ. Ωστόσο, η μεταβολή της εντροπίας μετριέται σε ενεργειακές μονάδες του J.

Δηλαδή, εάν θέλετε να υπολογίσετε τη μεταβολή της εντροπίας, πολλαπλασιάστε το ποσό της μεταβολής της ενθαλπίας επί 1000.

Επομένως, εάν έχετε μεταβολή ενθαλπίας -92,2 kJ mol-1, πρέπει να εισαγάγετε -92200 J mol-1 στον υπολογισμό.

Εάν η θερμοκρασία ήταν 298 βαθμοί Κελσίου, τότε:

Το παρόν πρόσημο αρνητικού στη δεδομένη εξίσωση θα μετατρέψει την αρνητική εξώθερμη ενθαλπία που θα της επιτρέψει να αλλάξει σε θετική μεταβολή εντροπίας. Επιπλέον, μια εξώθερμη αλλαγή θα καταλήξει να θερμαίνει το περιβάλλον και να αυξάνει την εντροπία στο συγκεκριμένο περιβάλλον και περιοχή.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής και της εντροπίας

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να δηλωθεί ως εξής:Σε κάθε κλειστό σύστημα, η εντροπία είτε θα παραμείνει σταθερή είτε θα αυξηθεί.

Η αύξηση της θερμότητας σε ένα σύστημα κάνει τα μόρια και τα άτομα να κινούνται πιο γρήγορα. Σε ένα κλειστό σύστημα, μπορεί να είναι κατανοητό (αν και δύσκολο) να αντιστραφεί η διαδικασία χωρίς να ληφθεί ή να απελευθερωθεί ενέργεια από κάπου αλλού προκειμένου να επιστρέψει στην αρχική κατάσταση. Δεν μπορείτε ποτέ να κάνετε ολόκληρο το σύστημα «λιγότερο ενεργητικό» από ό,τι ήταν όταν ξεκίνησε. Δεν υπάρχει πουθενά να πάει η ενέργεια. Η συνολική εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντός του αυξάνεται συνεχώς με μη αναστρέψιμες διαδικασίες.

Ακολουθούν ορισμένα παραδείγματα:

Παράδειγμα 1 :Νιτρικό αμμώνιο διαλυμένο σε νερό

Είναι ένα βασικό παράδειγμα μιας ενδόθερμης μετάβασης που συμβαίνει παρά το γεγονός ότι υπάρχει μια αύξηση της αταξίας κατά τη διάρκεια του χρόνου που ο κρύσταλλος θα σπάσει, και θα χωριστεί σε μεμονωμένα ιόντα και θα πηκτωματοποιηθεί με το νερό.

Η αλλαγή της εντροπίας στο περιβάλλον θα είναι αρνητική λόγω της ψύξης που προκαλείται από τη διάλυση του νιτρικού αμμωνίου, αλλά αυτό θα αντισταθμιστεί περισσότερο από τη σημαντική αύξηση της εντροπίας του συστήματος. Επομένως, η συνολική μεταβολή της εντροπίας είναι θετική και η μετατόπιση είναι νοητή – και σε αυτήν την περίπτωση, πραγματικά αυθόρμητη.

Παράδειγμα 2 :Η αλληλεπίδραση συμπυκνωμένου αιθανοϊκού οξέος και κρυσταλλικού ανθρακικού αμμωνίου

2CH3COOH + (NH4)2CO3→ 2CH3 COONH4  + H2O + CO2

Αυτή είναι μια άλλη ενδόθερμη μετάβαση που είναι δυνατή επειδή η αύξηση της εντροπίας λόγω του σχηματισμού αερίου διοξειδίου του άνθρακα ξεπερνά τη μείωση της εντροπίας του περιβάλλοντος. Καθώς αυξάνεται η συνολική εντροπία, η αντίδραση γίνεται βιώσιμη (και αυθόρμητη).

Συμπέρασμα 

Όταν μιλάμε για εντροπία στη θερμοδυναμική, εστιάζουμε στη συμπεριφορά της και όχι στις άλλες ιδιότητές της. Συνδέεται με άλλες θερμοδυναμικές μεταβλητές όπως η πίεση, η θερμοκρασία και η θερμότητα. Όλα τα άλλα στοιχεία λαμβάνονται υπόψη κατά τον προσδιορισμό της κατάστασης ισορροπίας του συστήματος. Η εντροπία απεικονίζει τις μοριακές κινήσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα σε ένα σύστημα. Ως αποτέλεσμα, χρησιμεύει ως στατιστικός δείκτης μοριακής δυσλειτουργίας.