핵심 개념
이 기사에서 우리는 엔트로피의 의미와 우주와 시스템 내에서 열역학에서의 중요성을 발견합니다.
다른 기사에서 다루는 주제
- 비열은 무엇입니까?
- 열 화학이란 무엇입니까?
- 엔탈피 계산
- Hess 's Law Requation
- 흡열 대 발열 반응
엔트로피의 정의
엔트로피는 시스템의 에너지와 질량이 분산되고 무작위로 분산되는 방법을 측정합니다. 중요하게도 엔트로피는 열이나 작업과 같은 경로 기능과 달리 온도 나 압력과 같은 상태 기능입니다. 이는 엔트로피의 시스템이 변경됨에 따라 변화는 상태간에 취한 시퀀스 ( "경로")보다는 초기 및 최종 상태의 엔트로피에만 의존한다는 것을 의미합니다.
.문자 "S"는 엔트로피의 상징으로 사용됩니다.
이후 섹션에서 알 수 있듯이 엔트로피는 과정의 자발성을 결정하는 데 화학자와 물리학 자에게 많은 사용이 있습니다.
높음 대 낮은 엔트로피
엔트로피가 낮은 시스템에는 순서 입자와 지시 된 운동이 포함됩니다. 이를 위해 집을 생각해보십시오. 집을 구성하는 질량은 벽과 가구를 형성하기 위해 주문하고 정확합니다. 파이프를 통해 움직이는 물 및 가스와 같은 기계적 운동 에너지는 단단히 제어되고 지시됩니다. 냉장고와 같은 특정 차가운 주머니와 오븐과 같은 뜨거운 주머니, 온도가 다른 집으로 퍼지지 않는 온도가 다른 열 에너지는 여전히 제어됩니다.
화학에서, 견고한 덩어리의 결정은 엔트로로 낮은 시스템의 또 다른 좋은 예를 제공합니다. 결정의 격자 에너지는 입자의 움직임을 제한하여 완벽하게 기하학적 형태를 만듭니다.
대조적으로 엔트로피가 높은 시스템은 널리 분산 된 질량과 에너지를 포함합니다. 이를 위해 숲을 생각하십시오. 나무, 식물, 암석 및 동물의 질량은 무작위로 널리 퍼져 있습니다. 유사하게 운동과 열이 분산되어 비교적 일관된 온도와 나무와 동물의 예측할 수없는 움직임을 초래합니다.
화학에서, 가스는 엔트로로 높은 시스템의 또 다른 좋은 예를 제공합니다. 가스 입자 사이의 상대적으로 낮은 인력은 각 분자가 자유롭게 움직일 수있게하여 무작위 분산을 초래합니다.
엔트로피의 수학적 표현
통계 정의
물질과 에너지의 질서를 정량화하는 주요 방법은 주어진 시스템이 가질 수있는 마이크로 스테이트를 합산하는 것입니다. 화학자들은 마이크로 스테이트를 특정 물질과 에너지의 배열로 정의합니다. 당연히, 순서대로, 엔트로 론적으로 낮은 시스템은 무질서한, 엔트로 론적으로 높은 시스템보다 가능한 마이크로 스테이트가 적습니다.
이 통계적 접근법은 엔트로피와 마이크로 스테이트와 관련된 다음 자연 로그 공식을 포함합니다.
엔트로피는 켈빈 당 줄의 단위로 제공됩니다.
그러나 대부분의 시스템에서는 개별 마이크로 스테이트를 계산하는 것은 여전히 불가능합니다. 따라서이 정의는 알려진 엔트로피 값에서 시스템의 마이크로 스테이트를 계산하는 데 가장 많이 사용됩니다. 이 경우 화학자는 종종 열역학적 정의를 사용하여 엔트로피를 계산합니다.
열역학적 정의
대부분의 화학자들은 미세 조상을 다루기보다는 열량 측정법을 사용하여 엔트로피 값을 측정합니다. 따라서 화학자들은 열의 흐름과 시스템 온도를 사용하여 엔트로피 열역학적으로 정의 할 수 있습니다.
엔트로피에 대한이 공식은 두 상태 사이의 변화를 측정 할 때 가장 많이 사용되는 경향이 있습니다.
중요한 것은 엔트로피를 계산하는 데 사용되는 열은 주어진 변화가 가역적으로 수행 된 경우 주어 지거나 흡수된다는 것입니다. 열은 일반적으로 경로 기능이지만 두 상태 사이에 하나의 가역 경로 만 존재하므로 엔트로피와 같은 준 상태 기능입니다. 중요하게도, 우리는 돌이킬 수없는 의 변화를 계산할 때에도 가역적 열을 사용합니다. 두 상태 사이의 변화.
두 상태 사이의 온도 변화 여부에 따라 위의 방정식을 더욱 단순화 할 수 있습니다.
범용 엔트로피
엔트로피는 과정의 자발성을 결정하기 때문에 화학자와 물리학 자에게 중요합니다. 이것이 무엇을 의미하는지 더 잘 이해하려면 열역학 제 2 차 법칙을 살펴 봐야합니다.
두 번째 법칙은 우주의 엔트로피가 항상 증가한다고 말합니다. 신체적 변화는 우주의 전반적인 장애를 증가 시키거나 변경하지 않아야합니다. 우주의 질량과 에너지를 주문하고 지시하는 전반적인 영향을 미치는 과정은 없습니다.
이것을 염두에두고, 우리는 두 개의 금속 조각, 하나의 뜨거운 것과 하나는 추위가 있다고 가정 해 봅시다. 이제 전도성 금속 브리지를 배치하여 둘 사이에 열이 흐르도록하겠습니다. 그런 다음 열이 뜨거운 금속 사이에서 자발적으로 또는 외부 개입없이 흘러 나옵니다.
추위에서 뜨거운 금속으로의 열 흐름이 왜 온도를 높이는가? 결국,이 움직임은 여전히 첫 번째 법칙을 준수 할 것입니다.
두 번째 법은 이것이 발생하지 않는 이유를 설명합니다. 열이 뜨거운 금속에 집중되면 시스템의 엔트로피 레벨은 감소하지만 열 에너지가 두 금속 전체에 균등하게 분배되면 증가합니다. 따라서 열은 뜨거운 금속에서 추위로 흐르면서 우주의 엔트로피가 계속 증가 할 수 있습니다.
시스템의 엔트로피
중요하게도, 우주의 엔트로피는 예외없이 증가해야하지만 시스템의 엔트로피는 자발적으로 감소 할 수 있습니다.
예를 들어, 열 엔진을 사용하십시오. 일반적으로 열 엔진은 열 에너지를 취해 작동하도록 작동합니다. 이 전환은 열의 무질서한 에너지가 순서가 변하기 때문에 시스템의 엔트로피 감소를 포함합니다. 그럼에도 불구하고, 열 엔진은 여전히 실제 세계에서 자발적으로 작동합니다. 그 이유는 엔진으로부터의 어느 정도의 열이 우주로 출시되기 때문입니다 (즉, 콜드 싱크). 우주로의 분포의 결과 로이 열은 엔진 작업의 감소에 대응하는 엔트로피의 증가를 포함합니다.
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제 2 법칙에 의해 의무화 된 바와 같이,이 열은 엔진이 보편적 인 엔트로피의 감소를 방지하기 위해 엔진에 의해 방출되어야합니다.
우리의 첫 번째 사례로 돌아가는 두 번째 법은 숲이 자발적으로 집이되지 않는 이유를 설명하지만, 충분한 시간이 주어지면 집은 자발적으로 숲으로 분해됩니다. 그러나 숲은 여전히 현실 세계에서 집이됩니다. 우리가 지금 알고 있듯이, 이것은 필요한 노동을 수행하는 인체로부터 화학 에너지가 우주로 열을 방출하기 때문입니다.
엔트로피 대 엔탈피
이전의 예에서 화학자들은“엔탈피”라는 용어를 사용하여 엔트로피를 줄이는 과정으로 제공되는이 열을 설명합니다. 엔탈피는 열역학적 자발성을 결정하는 데 중요하지만 뚜렷한 열역학적 개념입니다. 엔탈피에 대해 자세히 알아 보려면이 기사를 확인하십시오.
깁스 자유 에너지
따라서 우리는 부정적인 엔탈피 변화가 일어날 수 있지만 엔탈피 형태로 열이 보편적 인 엔트로피를 증가시키는 경우에만 해당됩니다. 자발성 과이 두 변수 사이의 관계를 수학적으로 이해하려면 Gibbs Free Energy의 세 번째를 이해해야합니다. 다음 방정식은 엔트로피, 엔탈피, 깁스 자유 에너지 및 온도의 관계를 보여줍니다.
화학 반응에 ∆G <0이 포함되면 반응은 자발적입니다. 따라서, ∆S <0이면, 반응에 의해 주어진 열을 포함하는 ∆H <0 인 경우 반응은 자발적으로 만 진행될 수있다. Gibbs Free Energy에 대한 자세한 내용은이 기사를 확인하십시오.
