Khám phá chỉ số Entropy là gì, công thức và ý nghĩa của nó

Entropy là gì?

Entropy được định nghĩa là thước đo định lượng của sự rối loạn hoặc ngẫu nhiên trong một hệ thống. Khái niệm này xuất phát từ nhiệt động lực học, liên quan đến việc truyền năng lượng nhiệt trong một hệ thống. Thay vì nói về một số dạng “entropy tuyệt đối”, các nhà vật lý thường nói về sự thay đổi của entropy diễn ra trong một quá trình nhiệt động cụ thể.

Tính toán Entropy

Trong một quá trình đẳng nhiệt, sự thay đổi entropy (delta-S) là sự thay đổi nhiệt (Q) chia cho nhiệt độ tuyệt đối (T): delta-S = Q / T

Trong bất kỳ quá trình nhiệt động học đảo ngược nào, nó có thể được biểu diễn trong phép tính dưới dạng tích phân từ trạng thái ban đầu của quá trình đến trạng thái cuối cùng của dQ / T.

Nói một cách khái quát hơn, entropy là thước đo xác suất và rối loạn phân tử của hệ thống vĩ mô. Trong một hệ thống có thể được mô tả bởi các biến, có một số cấu hình nhất định mà các biến đó có thể giả định. Nếu mỗi cấu hình có thể xảy ra như nhau, thì entropy là logarit tự nhiên của số lượng cấu hình, nhân với hằng số của Boltzmann.

S = kB ln W

Trong đó S là entropy, kB là hằng số của Boltzmann, ln là logarit tự nhiên và W đại diện cho số lượng trạng thái có thể. Hằng số của Boltzmann bằng 1.38065 × 10−23 J / K.

Đơn vị của Entropy

Entropy được coi là một tính chất rộng lớn của vật chất được biểu thị dưới dạng năng lượng chia cho nhiệt độ. Đơn vị SI của entropy là J / K (joules / độ Kelvin). Một cách để nêu định luật thứ hai của nhiệt động lực học là: Trong bất kỳ hệ thống kín nào, entropy của hệ thống sẽ không đổi hoặc tăng.

Một cách để xem điều này là việc thêm nhiệt vào hệ thống khiến các phân tử và nguyên tử tăng tốc. Có thể mặc dù khó khăn để đảo ngược quá trình trong một hệ thống kín, nghĩa là không lấy bất kỳ năng lượng nào từ hoặc giải phóng năng lượng ở nơi khác, để đạt đến trạng thái ban đầu, nhưng bạn không bao giờ có thể khiến toàn bộ hệ thống “ít năng lượng” hơn khi 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.

Những quan niệm sai lầm về Entropy

Quan điểm này về định luật nhiệt động lực học thứ hai là rất phổ biến, và nó đã bị sử dụng sai. Một số ý kiến ​​cho rằng định luật nhiệt động thứ hai có nghĩa là một hệ thống không bao giờ có thể trở nên trật tự hơn. Không đúng. Điều đó chỉ có nghĩa là để trở nên trật tự hơn (để giảm entropy), bạn phải truyền năng lượng từ một nơi nào đó bên ngoài hệ thống, chẳng hạn như khi một bà bầu lấy năng lượng từ thức ăn để làm cho trứng được thụ tinh trở thành một đứa trẻ hoàn chỉnh phù hợp với quy định của dòng thứ hai.

Entropy tuyệt đối

Một thuật ngữ liên quan là “entropy tuyệt đối”, được ký hiệu là S thay vì Δ S. entropy tuyệt đối được định nghĩa theo định luật thứ ba của nhiệt động lực học. Ở đây một hằng số được áp dụng làm cho nó sao cho entropy ở 0 tuyệt đối được xác định là 0.

Entropy tiêu chuẩn là gì?

Entropy là thước đo sự ngẫu nhiên, hỗn loạn hoặc tự do di chuyển của các hạt. Chữ in hoa S được sử dụng để biểu thị entropy. Tuy nhiên, bạn sẽ không thấy các phép tính cho “entropy” đơn giản vì khái niệm này khá vô dụng cho đến khi bạn đặt nó ở dạng có thể được sử dụng để so sánh để tính toán thay đổi entropy hoặc ΔS. Các giá trị Entropy được cho là entropy mol chuẩn, là entropy của một mol của một chất ở điều kiện trạng thái tiêu chuẩn . Entropy mol tiêu chuẩn được ký hiệu bằng ký hiệu S ° và thường có đơn vị joules trên mỗi mol Kelvin (J / mol · K).

Entropy âm và dương

Định luật nhiệt động lực học thứ hai quy định entropy của hệ cô lập tăng, vì vậy bạn có thể nghĩ entropy sẽ luôn tăng và sự thay đổi entropy theo thời gian sẽ luôn là một giá trị dương. Khi nó bật ra, đôi khi entropy của một hệ thống giảm. Đây có phải là vi phạm Luật thứ hai? Không, bởi vì luật đề cập đến một hệ thống bị cô lập . Khi bạn tính toán thay đổi entropy trong cài đặt phòng thí nghiệm, bạn quyết định chọn hệ thống, nhưng môi trường bên ngoài hệ thống của bạn sẵn sàng bù đắp cho bất kỳ thay đổi nào về entropy mà bạn có thể thấy. Trong khi toàn bộ vũ trụ (nếu bạn coi nó là một loại hệ cô lập), có thể trải qua sự gia tăng tổng thể của entropy theo thời gian, các túi nhỏ của hệ thống có thể và trải nghiệm entropy âm. Ví dụ, bạn có thể dọn dẹp bàn làm việc, chuyển từ rối loạn sang trật tự. Phản ứng hóa học cũng vậy, có thể chuyển từ ngẫu nhiên sang trật tự. Nói chung: S khí  > S soln > S liq > S rắn

Vì vậy, một sự thay đổi về trạng thái của vật chất có thể dẫn đến thay đổi entropy tích cực hoặc tiêu cực.

Dự đoán Entropy

Trong hóa học và vật lý, bạn thường sẽ được yêu cầu dự đoán liệu một hành động hoặc phản ứng sẽ dẫn đến thay đổi tích cực hay tiêu cực trong entropy. Sự thay đổi của entropy là sự khác biệt giữa entropy cuối cùng và entropy ban đầu: ΔS = S f – S i

Bạn có thể mong đợi một S dương  hoặc tăng entropy khi:

  • chất phản ứng rắn tạo thành một sản phẩm lỏng hoặc khí
  • chất phản ứng lỏng tạo thành khí
  • nhiều hạt nhỏ kết lại thành các hạt lớn hơn (thường được biểu thị bằng số mol sản phẩm ít hơn so với nốt ruồi phản ứng)

ΔS âm  hoặc giảm entropy thường xảy ra khi:

  • chất phản ứng dạng khí hoặc lỏng tạo thành sản phẩm rắn
  • chất phản ứng dạng khí tạo thành sản phẩm lỏng
  • các phân tử lớn phân tách thành các phân tử nhỏ hơn
  • có nhiều mol khí trong sản phẩm hơn là trong các chất phản ứng

Áp dụng thông tin về Entropy

Sử dụng các hướng dẫn, đôi khi thật dễ dàng để dự đoán liệu sự thay đổi entropy cho phản ứng hóa học sẽ là tích cực hay tiêu cực. Ví dụ, khi muối ăn (natri clorua) hình thành từ các ion của nó: Na + (aq) + Cl – (aq) → NaCl (s)

Entropy của muối rắn thấp hơn entropy của các ion nước, do đó phản ứng dẫn đến S âm. Đôi khi bạn có thể dự đoán liệu sự thay đổi của entropy sẽ là dương hay âm bằng cách kiểm tra phương trình hóa học. Ví dụ, trong phản ứng giữa carbon monoxide và nước để tạo ra carbon dioxide và hydro: CO (g) + H 2 O (g) → CO 2 (g) + H 2 (g)

Số lượng nốt ruồi phản ứng giống như số mol sản phẩm, tất cả các loại hóa chất là chất khí và các phân tử dường như có độ phức tạp tương đương. Trong trường hợp này, bạn cần tìm kiếm các giá trị entropy mol tiêu chuẩn của từng loài hóa học và tính toán sự thay đổi của entropy.


Domin Võ

Dành ra 12 tiếng/ngày cho công việc tẻ nhạt ở ngân hàng, chỉ khi viết bài cho Mingeek, anh ấy mới thật sự là chính mình. Anh muốn cho mọi người thấy rằng, khoa học không nhàm chán như trong SGK đâu! Nếu các bạn phát hiện sai sót gì trong bài, có thể liên hệ với anh ấy qua Facebook bên dưới. Hoặc nếu bạn muốn trò chuyện về Khoa học, hãy kết bạn luôn nào <3

Related Articles

Back to top button

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker