Entropy là gì? Cách tính Entropy – Thư viện khoa học

Entropy là một khái niệm quan trọng trong vật lý và hóa học có thể áp dụng cho các ngành khác, bao gồm cả vũ trụ học và kinh tế học. Trong vật lý, nó là một phần của nhiệt động lực học. Trong hóa học, nó là một khái niệm cốt lõi của hóa học vật lý.

Entropy là gì?

• Khái niệm entropy xuất phát từ nhiệt động lực học liên quan đến sự truyền năng lượng nhiệt trong một hệ thống. Nó trực tiếp theo sau bất kỳ thay đổi nhiệt nào trong hệ thống.
• Đó là thước đo tính ngẫu nhiên hoặc hỗn loạn của một hệ thống.
• Entropy phụ thuộc vào chất lượng của hệ thống. Nó được ký hiệu bằng chữ s và đơn vị là Joule/Kelvin.
• Entropy có thể dương hoặc âm. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, entropy của một hệ thống chỉ giảm khi entropy của hệ thống kia tăng lên.

Entropy và định luật thứ hai của nhiệt động lực học

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói như sau: Trong bất kỳ hệ kín nào, entropy của hệ hoặc không đổi hoặc tăng.

Bạn hiểu khái niệm trên như sau: Thêm nhiệt vào một hệ thống khiến các phân tử và nguyên tử tăng tốc. Quá trình này có thể được đảo ngược trong một hệ thống khép kín mà không tiêu tốn hoặc giải phóng bất kỳ năng lượng nào để đạt được trạng thái ban đầu. Bạn không bao giờ có thể làm cho toàn bộ hệ thống “tiết kiệm năng lượng” hơn so với khi nó bắt đầu. Năng lượng không có nơi nào để đi. Đối với các quá trình không thể đảo ngược, entropy kết hợp của hệ thống và môi trường của nó luôn tăng.

Cách tính entropy

Có nhiều cách để tính chỉ số entropy, tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ hoặc mục đích. Về cơ bản, có một số cách:

Entropy của quá trình đẳng nhiệt

Trong một quá trình đẳng nhiệt, độ biến thiên entropy (s) bằng độ biến thiên nhiệt lượng (q) chia cho nhiệt độ tuyệt đối (t):

• Công thức: s = q/t

Đảo ngược entropy

Trong bất kỳ quá trình nhiệt động thuận nghịch nào, phép tính có thể được biểu diễn dưới dạng tích phân dq/t từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng. Theo nghĩa tổng quát hơn, entropy là thước đo xác suất và sự rối loạn phân tử của các hệ vĩ mô.

Trong một hệ thống có thể được mô tả bằng các biến, nó có thể đảm nhận các cấu hình nhất định. Nếu mỗi cấu hình có khả năng xảy ra như nhau thì entropy là logarit tự nhiên của số cấu hình nhân với hằng số Boltzmann:

• Công thức: s = kb.ln.w

Ở đâu:

• s là entropy.
• kb là hằng số Boltzmann với giá trị 1,38065 × 10 23 j/k.
• ln là logarit tự nhiên.
• w cho biết số trạng thái có thể.

Entropy và nội năng

Trong hóa lý và nhiệt động lực học, một trong những phương trình hữu ích nhất liên quan đến entropy với năng lượng bên trong (u) của một hệ thống là:

• Công thức: du = tds – pdv

Ở đây, sự thay đổi hàm lượng năng lượng bằng nhiệt độ tuyệt đối t nhân với sự thay đổi entropy trừ đi áp suất bên ngoài p và sự thay đổi khối lượng v.

Các khái niệm khác về entropy

Entropy tuyệt đối

Một thuật ngữ liên quan là “entropy tuyệt đối”, được biểu thị bằng s thay vì Δs. Entropy tuyệt đối được định nghĩa bởi định luật thứ ba của nhiệt động lực học. Ở đây, một hằng số được áp dụng sao cho entropy ở độ không tuyệt đối được định nghĩa là 0.

Đơn vị của entropy

Đơn vị si của entropy là j/k (joules trên độ Kelvin).

Entropy và Thời gian

Entropy thường được gọi là mũi tên thời gian vì vật chất trong các hệ cô lập có xu hướng thay đổi từ trật tự sang mất trật tự.

Ví dụ về entropy

Entropy có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào hình dạng và loại liên kết hóa học trong một chất.

Entropy mẫu tăng

Các khối băng tăng entropy khi chúng tan chảy. Có thể dễ dàng hình dung sự gia tăng rối loạn hệ thống. Nước đá được tạo thành từ các phân tử nước liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị trong một mạng tinh thể. Khi băng tan, các phân tử thu được nhiều năng lượng hơn, lan rộng hơn và mất cấu trúc để tạo thành chất lỏng. Tương tự như vậy, sự thay đổi từ chất lỏng sang chất khí, chẳng hạn như từ nước sang hơi nước, làm tăng năng lượng của hệ thống.

Ví dụ giảm entropy

Điều này xảy ra khi hơi nước chuyển thành nước hoặc nước chuyển thành băng. Không có vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học vì vấn đề không nằm trong một hệ thống kín. Entropy của hệ đang nghiên cứu có thể giảm trong khi môi trường tăng.

Sự hiểu lầm về entropy

Người ta lập luận rằng định luật thứ hai của nhiệt động lực học có nghĩa là các hệ thống không bao giờ có thể trở nên ổn định hơn. Điều này là không đúng sự thật. Điều này có nghĩa là để trở nên ổn định hơn (giảm entropy), bạn phải truyền năng lượng từ một nơi nào đó bên ngoài hệ thống, chẳng hạn như khi một phụ nữ mang thai lấy năng lượng từ thức ăn để thụ tinh với trứng để hình thành em bé. Điều này hoàn toàn phù hợp với định luật thứ hai của nhiệt động lực học.