Was ist Entropie und wie wird sie berechnet?

Bedeutung der Entropie in der Physik

Entropie ist ein Maß für die Zufälligkeit oder Unordnung eines Systems. Atomic Imagery/Getty Images

Entropie ist definiert als das quantitative Maß der Unordnung oder Zufälligkeit in einem System. Das Konzept kommt aus Thermodynamik , die sich mit der Übertragung von befasst Wärmeenergie innerhalb eines Systems. Anstatt von irgendeiner Form der „absoluten Entropie“ zu sprechen, diskutieren Physiker im Allgemeinen die Änderung der Entropie, die in einem bestimmten Bereich stattfindet thermodynamischer Prozess .

SCHLUSSELERKENNTNISSE: Berechnung der Entropie

• Entropie ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit und die molekulare Unordnung eines makroskopischen Systems.
• Wenn jede Konfiguration gleich wahrscheinlich ist, dann ist die Entropie der natürliche Logarithmus der Anzahl der Konfigurationen, multipliziert mit der Boltzmann-Konstante: S = k_Bln
• Damit die Entropie abnimmt, müssen Sie Energie von irgendwo außerhalb des Systems übertragen.

Wie man Entropie berechnet

In einem (n isothermer Prozess , die Entropieänderung (delta- S ) ist die Wärmeänderung ( Q ) geteilt durch die Absolute Temperatur ( T ):

Delta- S = Q / T

In jedem reversiblen thermodynamischen Prozess kann es in der Analysis als Integral vom Anfangszustand eines Prozesses bis zu seinem Endzustand dargestellt werden dQ / T. Im allgemeineren Sinne ist die Entropie ein Maß für die Wahrscheinlichkeit und die molekulare Unordnung 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, dann ist die Entropie der natürliche Logarithmus der Anzahl der Konfigurationen, multipliziert mit der Boltzmann-Konstante:

S = k_Bln

wobei S die Entropie ist, k_Bdie Boltzmann-Konstante ist, ln der natürliche Logarithmus ist und W die Anzahl der möglichen Zustände darstellt. Die Boltzmann-Konstante ist gleich 1,38065 × 10²³J/K.

Einheiten der Entropie

Entropie wird als eine umfassende Eigenschaft von Materie angesehen, die in Form von Energie dividiert durch Temperatur ausgedrückt wird. Das SI-Einheiten der Entropie sind J/K (Joule/Grad Kelvin).

Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Eine Möglichkeit, die Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik ist wie folgt: in jedem geschlossenes System , bleibt die Entropie des Systems entweder konstant oder nimmt zu.

Sie können sich das so vorstellen: Wenn Sie einem System Wärme zuführen, beschleunigen sich die Moleküle und Atome. Es kann möglich (wenn auch schwierig) sein, den Prozess in einem geschlossenen System umzukehren, ohne irgendwo anders Energie zu ziehen oder Energie abzugeben, um den Anfangszustand zu erreichen. Sie können das gesamte System niemals „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, um geordneter zu werden (damit die Entropie abnimmt), Energie von irgendwo außerhalb des Systems übertragen müssen, z. B. wenn eine schwangere Frau Energie aus der Nahrung zieht, damit sich aus der befruchteten Eizelle ein Baby entwickelt. Dies steht vollständig im Einklang mit den Bestimmungen des zweiten Gesetzes.

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

Absolute Entropie

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