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Was ist Entropie?

Entropie ist ein wichtiges Konzept in Physik und Chemie und kann auf andere Disziplinen angewendet werden, einschließlich Kosmologie und Ökonomie. In der Physik ist es Teil der Thermodynamik. In der Chemie ist es ein Kernkonzept in der physikalischen Chemie .

Wichtige Imbissbuden: Entropie

  • Die Entropie ist ein Maß für die Zufälligkeit oder Störung eines Systems.
  • Der Wert der Entropie hängt von der Masse eines Systems ab. Es wird mit dem Buchstaben S bezeichnet und hat Einheiten von Joule pro Kelvin.
  • Entropie kann einen positiven oder negativen Wert haben. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann die Entropie eines Systems nur abnehmen, wenn die Entropie eines anderen Systems zunimmt.

 

Entropiedefinition

Die Entropie ist das Maß für die Störung eines Systems. Es ist eine umfangreiche Eigenschaft eines thermodynamischen Systems, dh sein Wert ändert sich in Abhängigkeit von der Menge der vorhandenen Materie. In Gleichungen wird Entropie normalerweise mit dem Buchstaben S bezeichnet und hat Einheiten von Joule pro Kelvin (J⋅K −1 ) oder kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 . Ein hochgeordnetes System hat eine niedrige Entropie.

 

Entropiegleichung und Berechnung

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Entropie zu berechnen, aber die beiden häufigsten Gleichungen gelten für reversible thermodynamische Prozesse und isotherme Prozesse (konstante Temperatur) .

Entropie eines reversiblen Prozesses

Bei der Berechnung der Entropie eines reversiblen Prozesses werden bestimmte Annahmen getroffen. Die wahrscheinlich wichtigste Annahme ist, dass jede Konfiguration innerhalb des Prozesses gleich wahrscheinlich ist (was möglicherweise nicht der Fall ist). Bei gleicher Wahrscheinlichkeit der Ergebnisse entspricht die Entropie der Boltzmannschen Konstante (k B ) multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus der Anzahl möglicher Zustände (W):

S=k B ln W.

Die Boltzmann-Konstante beträgt 1,38065 × 10–23 J / K.

Entropie eines isothermen Prozesses

Der Kalkül kann verwendet werden, um das Integral von dQ / T vom Anfangszustand bis zum Endzustand zu finden, wobei Q Wärme und T die absolute (Kelvin) Temperatur eines Systems ist.

Eine andere Möglichkeit, dies festzustellen, besteht darin, dass die Entropieänderung ( ΔS ) gleich der Wärmeänderung ( ΔQ ) geteilt durch die absolute Temperatur ( T ) ist:

ΔS=ΔQ / T.

Entropie und innere Energie

In der physikalischen Chemie und Thermodynamik bezieht eine der nützlichsten Gleichungen die Entropie auf die innere Energie (U) eines Systems:

dU=T dSp dV

Hierbei wird die Änderung der inneren Energie ich gleich die absolute Temperatur T durch die Änderung der Entropie multipliziert minus Außendruck p und die Volumenänderung V .

 

Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtentropie eines geschlossenen Systems nicht abnehmen kann. Innerhalb eines Systems kann die Entropie eines Systems jedoch abnehmen, indem die Entropie eines anderen Systems erhöht wird.

 

Entropie und Hitzetod des Universums

Einige Wissenschaftler sagen voraus, dass die Entropie des Universums bis zu dem Punkt ansteigen wird, an dem die Zufälligkeit ein System schafft, das nicht in der Lage ist, nützliche Arbeit zu leisten. Wenn nur noch Wärmeenergie übrig bleibt, soll das Universum an Hitzetod gestorben sein.

Andere Wissenschaftler bestreiten jedoch die Theorie des Hitzetodes. Einige sagen, dass sich das Universum als System weiter von der Entropie entfernt, selbst wenn die Entropie der Bereiche in ihm zunimmt. Andere betrachten das Universum als Teil eines größeren Systems. Wieder andere sagen, dass die möglichen Zustände nicht die gleiche Wahrscheinlichkeit haben, so dass gewöhnliche Gleichungen zur Berechnung der Entropie nicht gültig sind.

 

Beispiel für Entropie

Ein Eisblock nimmt beim Schmelzen an Entropie zu. Es ist einfach, die Zunahme der Störung des Systems zu visualisieren. Eis besteht aus Wassermolekülen, die in einem Kristallgitter miteinander verbunden sind. Wenn Eis schmilzt, gewinnen Moleküle mehr Energie, breiten sich weiter auseinander und verlieren an Struktur, um eine Flüssigkeit zu bilden. In ähnlicher Weise erhöht der Phasenwechsel von einer Flüssigkeit zu einem Gas wie von Wasser zu Dampf die Energie des Systems.

Auf der anderen Seite kann die Energie abnehmen. Dies tritt auf, wenn Dampf die Phase in Wasser oder Wasser in Eis ändert. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird nicht verletzt, da sich die Materie nicht in einem geschlossenen System befindet. Während die Entropie des untersuchten Systems abnehmen kann, nimmt die der Umgebung zu.

 

Entropie und Zeit

Entropie wird oft als Zeitpfeil bezeichnet, da Materie in isolierten Systemen dazu neigt, sich von Ordnung zu Unordnung zu bewegen.

 

Quellen

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  • Landsberg, PT (1984). „Können Entropie und“ Ordnung „zusammen zunehmen?“. Physikbriefe . 102A (4): 171–173. doi: 10.1016 / 0375-9601 (84) 90934-4
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