エントロピーとは何か、その計算方法
物理学におけるエントロピーの意味
エントロピーは、システムのランダム性または無秩序の尺度です。原子画像/ゲッティイメージズ
エントロピーは、システム内の無秩序またはランダム性の定量的尺度として定義されます。そこから出てくるコンセプトは 熱力学 、の転送を扱います 熱エネルギー システム内。ある種の「絶対エントロピー」について話す代わりに、物理学者は通常、特定の場所で起こるエントロピーの変化について議論します。 熱力学的プロセス .
重要ポイント: エントロピーの計算
- エントロピーは、巨視的システムの確率と分子障害の尺度です。
- 各構成の可能性が等しい場合、エントロピーは構成数の自然対数にボルツマン定数を掛けたものです: S = kBで
- エントロピーが減少するには、システムの外のどこかからエネルギーを移動する必要があります。
エントロピーの計算方法
で 等温プロセス 、エントロピーの変化 (デルタ- S ) は熱の変化 ( Q ) で割った 絶対温度 ( T ):
デルタ- S = Q / T
可逆的な熱力学的プロセスでは、プロセスの初期状態から最終状態までの積分として計算で表すことができます。 dQ / T. より一般的な意味では、エントロピーは巨視的システムの確率と分子無秩序の尺度です。変数で記述できるシステムでは、それらの変数は特定の数の構成を想定している場合があります。各構成の確率が等しい場合、エントロピーは構成数の自然対数にボルツマン定数を掛けたものになります。
S = kBで
ここで、S はエントロピー、kBはボルツマン定数、ln は自然対数、W は可能な状態の数を表します。ボルツマン定数は 1.38065 × 10 に等しい23J/K.
エントロピーの単位
エントロピーは、エネルギーを温度で割った形で表される物質の広範な特性であると考えられています。の SI単位 エントロピーの値は J/K (ジュール/ケルビン度) です。
エントロピーと熱力学第二法則
と言う一つの方法 熱力学第二法則 次のとおりです。 クローズドシステム 、システムのエントロピーは一定のままか、増加します。
これは次のように考えることができます: システムに熱を加えると、分子と原子の速度が上がります。初期状態に到達するためにどこかからエネルギーを引き出したり、どこかからエネルギーを放出したりせずに、閉じたシステムでプロセスを逆にすることは可能かもしれません (トリッキーではありますが)。開始時よりもシステム全体の「エネルギーが低下」することは決してありません。エネルギーには行き場がありません。不可逆プロセスの場合、システムとその環境を合わせたエントロピーは常に増加します。
エントロピーに関する誤解
この熱力学第二法則の見方は非常に人気があり、誤用されてきました。熱力学の第 2 法則は、システムがより整然とすることは決してないことを意味すると主張する人もいます。これは真実ではありません。これは、より整然とした (エントロピーが減少する) ためには、妊娠中の女性が食物からエネルギーを引き出して受精卵を赤ちゃんに形成させるときなど、システムの外部のどこかからエネルギーを移動する必要があることを意味します。これは、第二法の規定と完全に一致しています。
エントロピーは無秩序、カオス、ランダム性とも呼ばれますが、3 つの同義語はすべて不正確です。
絶対エントロピー
関連する用語は「絶対エントロピー」であり、 S それよりも S .絶対エントロピーは、熱力学の第 3 法則に従って定義されます。ここでは、絶対零度でのエントロピーがゼロになるように定義する定数が適用されます。