Wat is entropie?

Entropie is een belangrijk concept in de natuurkunde en chemie, plus het kan worden toegepast op andere disciplines, waaronder kosmologie en economie. In de natuurkunde maakt het deel uit van de thermodynamica. In de chemie is het een kernbegrip in fysische chemie.

Belangrijkste afhaalrestaurants: entropie

Entropie is een maat voor de willekeur of stoornis van een systeem.
De waarde van entropie hangt af van de massa van een systeem. Het wordt aangegeven met de letter S en heeft eenheden joules per Kelvin.
Entropie kan een positieve of negatieve waarde hebben. Volgens de tweede wet van de thermodynamica kan de entropie van een systeem alleen afnemen als de entropie van een ander systeem toeneemt.

Entropie-definitie

Entropie is de maat voor de stoornis van een systeem. Het is een uitgebreide eigendom van een thermodynamisch systeem, wat betekent dat de waarde verandert afhankelijk van de hoeveelheid er toe doen dat is aanwezig. In vergelijkingen wordt entropie meestal aangeduid met de letter S en

instagram viewer

heeft eenheden joules per Kelvin (J⋅K⁻¹) of kg⋅m²⋅s⁻²⋅K⁻¹. Een zeer geordend systeem heeft een lage entropie.

Entropie vergelijking en berekening

Er zijn meerdere manieren om entropie te berekenen, maar de twee meest voorkomende vergelijkingen zijn voor omkeerbare thermodynamische processen en isotherme (constante temperatuur) processen.

Entropie van een omkeerbaar proces

Er worden bepaalde aannames gedaan bij het berekenen van de entropie van een omkeerbaar proces. Waarschijnlijk is de belangrijkste veronderstelling dat elke configuratie binnen het proces even waarschijnlijk is (wat het misschien niet is). Gegeven gelijke kans op uitkomsten, is entropie gelijk aan de constante van Boltzmann (k_B.) vermenigvuldigd met de natuurlijke logaritme van het aantal mogelijke toestanden (W):

S = k_B. ln W

De constante van Boltzmann is 1.38065 × 10−23 J / K.

Entropie van een isotherm proces

Calculus kan worden gebruikt om de integraal van te vinden dQ/T van de oorspronkelijke staat tot de uiteindelijke staat, waar Q is warmte en T is de absolute (Kelvin) temperatuur van een systeem.

Een andere manier om dit te zeggen is dat de verandering in entropie (ΔS) is gelijk aan de verandering in warmte (ΔQ) gedeeld door de absolute temperatuur (T):

ΔS = ΔQ / T

Entropie en interne energie

In de fysische chemie en thermodynamica heeft een van de nuttigste vergelijkingen betrekking op entropie op de interne energie (U) van een systeem:

dU = T dS - p dV

Hier de verandering in interne energie dU is gelijk aan absolute temperatuur T vermenigvuldigd met de verandering in entropie minus externe druk p en de verandering in volume V.

Entropie en de tweede wet van de thermodynamica

De tweede wet van de thermodynamica geeft de totale entropie van een gesloten systeem kan niet afnemen. Echter, binnen een systeem, entropie van één systeem kan afname door verhoging van de entropie van een ander systeem.

Entropie en warmtedood van het heelal

Sommige wetenschappers voorspellen dat de entropie van het universum zal toenemen tot het punt waarop de willekeur een systeem creëert dat niet in staat is om nuttig werk te verrichten. Als er alleen thermische energie overblijft, zou het universum zijn gestorven aan warmtedood.

Andere wetenschappers betwisten echter de theorie van warmtedood. Sommigen zeggen dat het heelal als systeem zich verder van de entropie verwijdert, zelfs als de gebieden binnen de entropie toenemen. Anderen beschouwen het universum als onderdeel van een groter systeem. Weer anderen zeggen dat de mogelijke toestanden niet dezelfde waarschijnlijkheid hebben, dus gewone vergelijkingen om entropie te berekenen zijn niet geldig.

Voorbeeld van entropie

Een blok ijs zal toenemen entropie terwijl het smelt. Het is gemakkelijk om de toename van de stoornis van het systeem te visualiseren. IJs bestaat uit watermoleculen die met elkaar zijn verbonden in een kristalrooster. Naarmate ijs smelt, winnen moleculen meer energie, verspreiden ze zich verder uit elkaar en verliezen ze structuur om een vloeistof te vormen. Evenzo verhoogt de faseverandering van een vloeistof naar een gas, evenals van water naar stoom, de energie van het systeem.

Aan de andere kant kan de energie afnemen. Dit gebeurt als stoom van fase verandert in water of als water verandert in ijs. De tweede wet van de thermodynamica wordt niet geschonden omdat de zaak zich niet in een gesloten systeem bevindt. Hoewel de entropie van het onderzochte systeem kan afnemen, neemt die van de omgeving toe.

Entropie en tijd

Entropie wordt vaak de pijl van tijd omdat materie in geïsoleerde systemen de neiging heeft om van orde naar wanorde te gaan.

Bronnen

Atkins, Peter; Julio De Paula (2006). Fysische chemie (8e ed.). Oxford Universiteit krant. ISBN 978-0-19-870072-2.
Chang, Raymond (1998). Chemie (6e ed.). New York: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-115221-1.
Clausius, Rudolf (1850). Over de drijfkracht van warmte en over de wetten die hieruit kunnen worden afgeleid voor de theorie van warmte. Poggendorff's Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 978-0-486-59065-3.
Landsberg, P.T. (1984). "Kunnen Entropie en" Orde "samen toenemen?". Natuurkunde Letters. 102A (4): 171–173. doi:10.1016/0375-9601(84)90934-4
Watson, J.R.; Carson, E.M. (mei 2002). "Begrip van niet-gegradueerde studenten van entropie en Gibbs-vrije energie." University Chemistry Education. 6 (1): 4. ISSN 1369-5614