Entropija v termodinamiki: definicija, enote in primeri

Termodinamična entropija je merilo, kako razporejena oziroma koliko neurejena je energija v sistemu atomov ali molekul. V klasični termodinamiki se entropija spremembe toplote pri reverzibilnem procesu definira z izrazom dS = δQ_rev / T. V statistični razlagi jo opišemo z Boltzmannovo enačbo S = k ln Ω, kjer je k Boltzmannova konstanta (k ≈ 1,380649·10^−23 J/K) in Ω število mikrostanj sistema. Enote entropije so običajno jouli na kelvin (J/K); pri molarni entropiji pa J/(mol·K).

Zakoni in osnovne lastnosti

Drugi zakon termodinamike pravi, da se entropija izoliranega sistema v naravnem procesu ne zmanjšuje — običajno se poveča ali ostane enaka pri popolnoma reverzibilnih procesih. To pomeni, da toplota spontano teče iz toplejših delov v hladnejše, dokler ni dosežena termalna ravnovesja. Reverzibilni procesi so idealizirani; dejanski (irreverzibilni) procesi povečajo skupno entropijo.

Tretji zakon termodinamike navaja, da se pri dosegu absolutne ničle (0 K) entropija popolnega kristala približa konstanti, pogosto izhajajoč v 0 S = 0 za popoln enostaven kristal. Tretji zakon torej opisuje vedenje entropije pri zelo nizkih temperaturah, medtem ko je entropija kot količina energije razporeditve ključna pri drugem zakonu.

Praktična razlaga: energija, delo in "neuporabna" energija

Entropija povezuje, koliko energije v sistemu je na voljo za opravljanje dela. Če ima skupek molekul določeno skupno energijo, je odvisno od stopnje razporeditve te energije, koliko dela je iz nje mogoče pridobiti. Bolj razpršena (neurejena) energija pomeni večjo entropijo in manj koristne energije (manj izkoristljivega dela). Zato je v termodinamiki pogosto uporabljena tudi konceptualna meja, koliko energije je "na voljo" — povezana je z entalpijo, prostorsko temperaturo in spremembo entropije (npr. Gibbsova energija ΔG = ΔH − TΔS pri konstantnem tlaku).

Sistemi: odprti, zaprti, izolirani

V termodinamiki ločimo vrste sistemov glede na izmenjavo energije in snovi z okolico:

Odprt sistem izmenjuje tako energijo kot snov z okolico.
Zaprti sistem izmenjuje energijo (npr. toploto ali delo), ne izmenjuje pa snovi.
Izoliran sistem ne izmenjuje niti energije niti snovi z okolico.

V prejšnjem besedilu je bila soba opisana kot "zaprti sistem", vendar je bolj natančno reči, da bi soba brez toplotnih izgub bila približek izoliranega sistema. Večina realnih sistemov (kot je soba) v praksi izmenjuje nekaj energije z okolico, zato so realni primeri običajno odprti ali zaprti, odvisno od pogojev.

Primer skodelice čaja

Predstavljajte si skodelico vročega čaja v sobi. Čaj ima višjo temperaturo in posledično višjo energijo v primerjavi z okolico. Toplota spontano prehaja iz čaja v zrak, dokler se ne vzpostavi temperaturno ravnovesje; pri tem se skupna entropija (čaj + zrak) poveča. Če v sobo vstavimo grelnik (torej sistem postane odprt glede na vir energije) in ga prižgemo, lahko del toplote iz grelnika prenesemo nazaj v čaj — entropija skodelice se lahko lokalno zmanjša, vendar bo skupna entropija sistema (vključno z grelnikom in virom energije, npr. elektrarnami) običajno narasla. To pojasnjuje, kako so lokalni padci entropije (npr. ohlajanje ali organiziranje snovi) možni, vendar zahtevajo porabo energije in povzročijo večje povečanje entropije drugje.

Primeri entropijskih sprememb v vsakdanjem življenju

Miješanje dveh plinov ali tekočin: mešanje običajno poveča število možnih mikrostanj in s tem entropijo.
Taljenje ledu: prehod iz urejene kristalne strukture v tekočo obliko poveča entropijo (večje število mikrostanj).
Toplotni tok iz vročega predmeta v hladnejši: vodi do povečanja entropije izoliranega sistema.
Življenje in organizacija: biološki sistemi zmanjšujejo entropijo lokalno (rasti, organizacija), vendar to dosežejo z izmenjavo energije in snovi z okolico, kar poveča entropijo širšega okolja (npr. sončna energija na Zemlji). Primer naše planeta kot odprtega sistema: Zemlja vsak dan prejme veliko energije od Sonca. Brez te dotoke energije bi lokalni entropijski procesi (rast, tekoča voda) potekali drugače.

Številčne vrednosti in konstante

Osnovne formule in enote:

Termodinamična definicija za majhno reverzibilno spremembo: dS = δQ_rev / T.
Statistična definicija: S = k ln Ω (k = 1,380649·10^−23 J/K).
Enote: J/K (J·K^−1); pri molarni entropiji J/(mol·K).

Entropija je zato številčna veličina, ki kvantificira razporeditveno prostornino in ne le „nered“. Pomembno je razumeti, da povečuje, ko se energija bolj enakomerno porazdeli po razpoložljivih stanjih.

Zaključek

Entropija je temeljni koncept v termodinamiki, ki povezuje toploto, temperaturo, dostopno delo in verjetnostne razporeditve stanj v sistemu. Ključna sta druga zakon (povečanje entropije v izoliranih sistemih) in tretji zakon (obnašanje entropije pri približevanju 0 K). V vsakdanjem življenju to razumevanje pomaga pojasniti, zakaj določeni procesi potekajo spontano, zakaj potrebujemo vire energije za vzdrževanje urejenosti in kako globalni sistemi (npr. Zemlja) delujejo kot odprti sistemi z neprestanim dotokom energije.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je termodinamična entropija?

O: Termodinamična entropija je merilo, kako organizirana ali neorganizirana je energija v sistemu atomov ali molekul. Meri se v joulih energije na enoto kelvina.

V: Kaj pravi tretji zakon termodinamike?

O: Tretji zakon termodinamike pravi, da ko je dosežena popolna entropija, ni več energije, ki bi jo lahko porabili.

V: Kateri sta dve vrsti "prostorov", omenjenih v besedilu?

O: V besedilu sta omenjeni dve vrsti "prostorov", in sicer odprti in zaprti sistem. Odprt sistem pomeni, da lahko energija (kot je toplota) prosto vstopa in izstopa, medtem ko zaprt sistem pomeni, da je zaprt od zunaj; energija ne more vstopati ali izstopati.

V: Kako nova energija vpliva na skupno entropijo?

O: Nova energija zmanjšuje skupno entropijo, ker omogoča večjo organiziranost sistema. Če na primer postavimo grelnik v sobo s hladnim čajem, lahko toploto iz njega uporabimo za ponovno segrevanje skodelice čaja. To v sobo prinese novo energijo, ki zmanjša njeno skupno entropijo.

V: Ali lahko navedete primer odprtega sistema?

O: Primer odprtega sistema v resničnem življenju je Zemlja, saj vsak dan dobi veliko energije od Sonca, ki omogoča rast rastlin in tekočo vodo.

V: Kako vpliva doseganje celotne entropije na skodelico vročega čaja?

O: Ko je v skodelici vročega čaja dosežena popolna entropija, ni več toplote, ki bi se lahko širila, zato skodelica postane hladna, saj se vsa njena toplota prenese v okolico.