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Was ist Entropie und wie berechnet man sie?

Entropie ist definiert als das quantitative Maß für Störung oder Zufälligkeit in einem System. Das Konzept basiert auf der Thermodynamik. die sich mit der Übertragung von Wärmeenergie innerhalb eines Systems befasst. Anstatt über irgendeine Form von „absoluter Entropie“ zu sprechen, diskutieren Physiker im Allgemeinen die Änderung der Entropie, die in einem bestimmten thermodynamischen Prozess stattfindet .

Wichtige Erkenntnisse: Berechnung der Entropie

  • Die Entropie ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit und die molekulare Störung eines makroskopischen Systems.
  • Wenn jede Konfiguration gleich wahrscheinlich ist, ist die Entropie der natürliche Logarithmus der Anzahl der Konfigurationen, multipliziert mit der Boltzmannschen Konstante: S=k B  ln W.
  • Damit die Entropie abnimmt, müssen Sie Energie von irgendwo außerhalb des Systems übertragen.

 

So berechnen Sie die Entropie

In einem isothermen Prozess ist die Änderung der Entropie (Delta- S ) die Änderung der Wärme ( Q ) geteilt durch die absolute Temperatur. T ):

Delta- S  = Q / T.

In jedem reversiblen thermodynamischen Prozess kann es im Kalkül als Integral vom Anfangszustand eines Prozesses bis zu seinem Endzustand von dQ / T dargestellt werden. Im allgemeineren Sinne ist die Entropie ein Maß für die Wahrscheinlichkeit und die molekulare Störung eines makroskopischen Systems. In einem System, das durch Variablen beschrieben werden kann, können diese Variablen eine bestimmte Anzahl von Konfigurationen annehmen. Wenn jede Konfiguration gleich wahrscheinlich ist, ist die Entropie der natürliche Logarithmus der Anzahl der Konfigurationen, multipliziert mit der Boltzmannschen Konstante:

S=k B  ln W.

wobei S die Entropie ist, k B die Boltzmann-Konstante ist, ln der natürliche Logarithmus ist und W die Anzahl möglicher Zustände darstellt. Die Boltzmannsche Konstante beträgt 1,38065 × 10 –23  J / K.

 

Einheiten der Entropie

Die Entropie wird als eine weitreichende Eigenschaft der Materie angesehen, die als Energie geteilt durch die Temperatur ausgedrückt wird. Die SI- Entropieeinheiten sind J / K (Joule / Grad Kelvin).

 

Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Eine Möglichkeit, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu formulieren, lautet wie folgt: In jedem  geschlossenen System bleibt die Entropie des Systems entweder konstant oder nimmt zu.

Sie können dies folgendermaßen anzeigen: Durch Hinzufügen von Wärme zu einem System beschleunigen sich die Moleküle und Atome. Es kann möglich (wenn auch schwierig) sein, den Prozess in einem geschlossenen System umzukehren, ohne Energie von irgendwo anders zu beziehen oder Energie freizusetzen, um den Ausgangszustand zu erreichen. Sie können niemals das gesamte System „weniger energisch“ machen als zu Beginn. Die Energie hat keinen Ort, an den sie gehen kann. Bei irreversiblen Prozessen nimmt die kombinierte Entropie des Systems und seiner Umgebung immer zu.

 

Missverständnisse über Entropie

Diese Ansicht des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist sehr beliebt und wurde missbraucht. Einige argumentieren, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bedeutet, dass ein System niemals geordneter werden kann. Das ist falsch. Es bedeutet nur, dass Sie Energie von irgendwo außerhalb des Systems übertragen müssen, um ordentlicher zu werden (damit die Entropie abnimmt), z. B. wenn eine schwangere Frau Energie aus der Nahrung bezieht, damit sich aus dem befruchteten Ei ein Baby bildet. Dies entspricht voll und ganz den Bestimmungen des zweiten Gesetzes.

Entropie ist auch als Störung, Chaos und Zufälligkeit bekannt, obwohl alle drei Synonyme ungenau sind.

 

Absolute Entropie

Ein verwandter Begriff ist „absolute Entropie“, die eher mit S als mit ΔS bezeichnet wird . Die absolute Entropie wird nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik definiert. Hier wird eine Konstante angewendet, die es so macht, dass die Entropie am absoluten Nullpunkt als Null definiert wird.

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