科学におけるエントロピーの定義
化学と物理の用語集 エントロピーの定義
エントロピーは、システムの無秩序またはランダム性の尺度です。 PM画像/ゲッティイメージズ
エントロピーは物理学における重要な概念であり、 化学 、さらに、以下を含む他の分野にも適用されます 宇宙学 そして経済学。物理学では、それは熱力学の一部です。化学では、それは核となる概念です。物理化学.
重要ポイント: エントロピー
- 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。
- エントロピーの値は、システムの質量に依存します。これは文字 S で表され、単位はジュール/ケルビンです。
- エントロピーは、正または負の値を持つことができます。熱力学の第 2 法則によると、システムのエントロピーは、別のシステムのエントロピーが増加した場合にのみ減少します。
エントロピーの定義
エントロピーは、システムの無秩序の尺度です。それは 広大な財産 の量に応じて値が変化することを意味します。 案件 それが存在します。方程式では、エントロピーは通常文字 S で表され、 単位あり ケルビンあたりのジュール (J⋅K−1)またはkg·m2⋅s−2⋅K−1.高度に秩序化されたシステムは、エントロピーが低くなります。
エントロピー方程式と計算
エントロピーを計算する方法は複数ありますが、最も一般的な 2 つの方程式は、可逆熱力学プロセスと 等温（一定温度）プロセス .
可逆過程のエントロピー
可逆プロセスのエントロピーを計算するとき、特定の仮定が行われます。おそらく最も重要な仮定は、プロセス内の各構成が同じ確率であるということです (実際にはそうではない可能性があります)。結果の確率が等しいとすると、エントロピーはボルツマン定数 (kB) 可能な状態の数 (W) の自然対数を掛けます。
S = kBで
ボルツマン定数は 1.38065 × 10−23 J/K です。
等温過程のエントロピー
微積分を使用して、の積分を見つけることができます。 dQ / T 初期状態から最終状態まで、ここで Q 熱と T それは 絶対 (ケルビン) 温度 システムの。
これを別の言い方をすると、エントロピーの変化 ( S ) は熱の変化 ( Q ) を絶対温度 ( T ):
S = Q / T
エントロピーと内部エネルギー
物理化学と熱力学において、最も有用な方程式の 1 つは、エントロピーを系の内部エネルギー (U) に関連付けます。
から = TDS - pdV
ここで、内部エネルギーの変化 から 絶対温度に等しい T エントロピーの変化から外圧を引いた値を掛けた値 p そして音量変化 の .
エントロピーと熱力学第二法則
の 熱力学第二法則 の総エントロピーを述べます クローズドシステム 減少できません。ただし、システム内では、1 つのシステムのエントロピー できる 別のシステムのエントロピーを上げることで減少します。
宇宙のエントロピーと熱死
一部の科学者は、宇宙のエントロピーが増加し、そのランダム性によってシステムが有用な作業を行えなくなると予測しています。熱エネルギーだけが残ったとき、宇宙は熱死したと言えます。
しかし、他の科学者は熱死の理論に異議を唱えています。システム内の領域のエントロピーが増加しても、システムがエントロピーから遠ざかるにつれ、宇宙はさらに遠ざかると言う人もいます。宇宙をより大きなシステムの一部と見なす人もいます。さらに、可能な状態の尤度は等しくないという人もいます。そのため、エントロピーを計算するための通常の方程式は有効ではありません。
エントロピーの例
氷のブロックが増加します エントロピ とろけるように。システムの障害の増加を視覚化するのは簡単です。氷は、結晶格子で互いに結合した水分子で構成されています。氷が溶けるにつれて、分子はより多くのエネルギーを獲得し、さらに離れて広がり、構造を失って液体を形成します。同様に、水から蒸気へのように、液体から気体への相変化は、システムのエネルギーを増加させます。
反対に、エネルギーは減少する可能性があります。これは、蒸気が相を水に変えるか、水が氷に変わるときに発生します。物質は閉じた系ではないので、熱力学の第二法則は破られません。研究対象のシステムのエントロピーは減少するかもしれませんが、環境のエントロピーは増加します。
エントロピーと時間
エントロピーはしばしば 時の矢 孤立した系の物質は秩序から無秩序へと移動する傾向があるからです。
ソース
- アトキンス、ピーター。フリオ・デポーラ (2006)。 物理化学 （第8版）。オックスフォード大学出版局。 ISBN 978-0-19-870072-2。
- チャン、レイモンド (1998)。 化学 （第6版）。ニューヨーク：マグロウヒル。 ISBN 978-0-07-115221-1。
- クラウジウス、ルドルフ（1850）。 熱の原動力と、熱の理論のためにそれから導き出される法則について .ポッゲンドルフ 物理病の年代記 、79（ドーバー復刻版）。 ISBN 978-0-486-59065-3。
- Landsberg、P.T. （1984）。 「エントロピーと「秩序」は一緒に増加することができますか?」. 物理学の手紙 . 102A (4): 171–173.ドイ: 10.1016/0375-9601(84)90934-4
- ワトソン、JR。 Carson, E.M. (2002 年 5 月)。 ' 学部生のエントロピーとギブズ自由エネルギーの理解 .' 大学の化学教育 . 6 (1): 4. ISSN 1369-5614