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

Entropy là gì?

  • Khái niệm entropy xuất phát từ nhiệt động lực học, liên quan đến việc truyền năng lượng nhiệt trong một hệ thống. Nó thay đổi trực tiếp với bất kỳ thay đổi nhiệt nào trong hệ thống.
  • Nó là thước đo tính ngẫu nhiên hoặc rối loạn của một hệ thống.
  • Giá trị của entropy phụ thuộc vào khối lượng của một hệ thống. Nó được ký hiệu bằng chữ S và có đơn vị joules/kelvin.
  • Entropy có thể có giá trị dương hoặc âm. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, entropy của một hệ thống chỉ có thể giảm nếu entropy của một hệ thống khác tăng.

Entropy và định luật nhiệt động lực học thứ hai

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học có nội dung như sau: trong bất kỳ hệ thống kín nào, entropy của hệ thống sẽ không đổi hoặc tăng.

Bạn có hiểu khái niệm trên như sau: Thêm nhiệt vào hệ thống khiến các phân tử và nguyên tử tăng tốc. Có thể để đảo ngược quá trình trong một hệ thống kín mà không lấy bất kỳ năng lượng nào hoặc giải phóng năng lượng ở một nơi khác để đạt đến trạng thái ban đầu. Bạn không bao giờ có thể có được toàn bộ hệ thống “ít năng lượng” hơn 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 phương pháp tính chỉ số entropy, tùy vào điều kiện nhiệt hay mục đích. Về cơ bản có những cách tính sau:

Entropy của quá trình đẳng nhiệt

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

  • Công thức: S = Q/T

Entropy của quá trình đảo ngược

Trong bất kỳ quá trình nhiệt động học đảo ngược nào, nó có thể được biểu diễn bằng phép tính dưới dạng tích phân từ trạng thái ban đầu của trạng thái đến trạng thái cuối cùng của dQ/T. Theo nghĩa tổng 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, các biến đó có thể giả định một số cấu hình nhất 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:

  • Công thức: S = kB.ln.W

Trong đó:

  • S là entropy.
  • kB là hằng số của Boltzmann và có giá trị 1.38065 × 10 23 J/K.
  • ln là logarit tự nhiên.
  • W đại diện cho số lượng trạng thái có thể.

Entropy và năng lượng nội bộ

Trong hóa học vật 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 trong năng lượng nội dU bằng nhiệt độ tuyệt đối T nhân với sự thay đổi trong entropy trừ áp lực bên ngoài p và sự thay đổi về khối lượng V.

Những khái niệm khác về entropy

Entropy tuyệt đối

Một thuật ngữ liên quan là “entropy tuyệt đối”, được ký hiệu là S thay vì ΔS . 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 entropy ở 0 tuyệt đối được xác định là 0.

Đơn vị của Entropy

Các đơn vị SI của entropy là J/K (joules/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 chuyển từ trật tự sang rối loạn.

Ví dụ về entropy

Entropy có thể tăng hay giảm phụ thuộc vào hính dáng và kiểu liên kết hóa học của một chất nào đó.

Ví dụ entropy tăng

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

Ví dụ entropy giảm

Điều này xảy ra khi hơi nước thay đổi thành nước hoặc khi nước thay đổi thành băng. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học không bị vi phạm vì vấn đề không nằm trong một hệ thống khép kín. Trong khi entropy của hệ thống được nghiên cứu có thể giảm, thì môi trường lại tăng lên.

Những quan niệm sai lầm về entropy

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 ổn định hơn. Điều này là sai sự thật. Điều đó có nghĩa là để trở nên ổn định hơn (để entropy giảm), 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 làm cho trứng được thụ tinh hình thành em bé. Điều này là hoàn toàn phù hợp với định luật nhiệt động học thứ hai.