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エントロピーとは?

コア コンセプト

この記事では、宇宙とシステム内の両方で、エントロピーの意味と熱力学におけるその重要性を発見します.

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エントロピーの定義

エントロピーは、システムのエネルギーと質量がどの程度分散してランダムに分布しているかを示す尺度です。重要なことに、エントロピーは温度や圧力などの状態関数であり、熱や仕事などの経路関数とは対照的です。これは、システムのエントロピーが変化すると、その変化は、状態間のシーケンス (「パス」) ではなく、初期状態と最終状態のエントロピーのみに依存することを意味します。

文字「S」はエントロピーの記号として機能します。

後のセクションでわかるように、エントロピーは化学者や物理学者がプロセスの自発性を判断する際に多くの用途があります。

高対。低エントロピー

エントロピーの低いシステムには、規則正しい粒子と有向運動が含まれます。このために、家を考えてみましょう。家を構成する質量は、壁や家具を形成するために整然と正確に配置されています。パイプを通って移動する水やガスなどの運動の機械的エネルギーは、厳密に制御され、方向付けられたままです。冷蔵庫などの特定のコールド ポケットと、オーブンなどのホット ポケットで、家の他の部分に温度が広がらないように、熱エネルギーも制御されます。

化学では、結晶の固体塊は、エントロピー的に低いシステムの別の良い例を提供します。結晶の格子エネルギーがその粒子の動きを制限し、完全な幾何学的形状になります。

対照的に、エントロピーが高い系は、広く分散した質量とエネルギーを伴います。これについては、森を考えてみてください。木、植物、岩、動物の塊は、ランダムで広く分散したままです。同様に、どんな動きや熱も分散されるため、温度が比較的一定になり、木や動物の動きが予測できなくなります。

化学では、ガスはエントロピーが高いシステムのもう 1 つの良い例です。気体粒子間の引力が比較的小さいため、各分子が自由に移動できるため、ランダムな分散が生じます。

エントロピーの数学的表現

統計の定義

物質とエネルギーの秩序性を定量化する主な方法は、特定のシステムが持つことができるマイクロステートを合計することです。化学者は、マイクロステートを物質とエネルギーの特定の配置として定義します。当然のことながら、秩序のあるエントロピー的に低いシステムは、無秩序でエントロピー的に高いシステムよりも可能なマイクロステートが少なくなります。

この統計的アプローチには、エントロピーをマイクロステートに関連付ける次の自然対数式が含まれます。

エントロピーの単位はジュール/ケルビンであることに注意してください。

ただし、ほとんどのシステムでは、個々のマイクロステートを数えることは依然として不可能です。したがって、この定義は、既知のエントロピー値からシステムのマイクロステートを計算するために最も使用されます。このような場合、化学者は代わりに熱力学的定義を使用してエントロピーを計算することがよくあります。

熱力学的定義

ほとんどの化学者は、微量状態を扱うのではなく、代わりに熱量測定を使用してエントロピー値を測定します。したがって、化学者は、熱の流れと系の温度を使用して、エントロピーを熱力学的に定義できます。

このエントロピーの式は、2 つの状態間の変化を測定するときに最もよく使用される傾向があります。

重要なのは、エントロピーの計算に使用される熱は、与えられた変化が可逆的に行われた場合に放出または吸収される熱です。熱は通常パス関数ですが、2 つの状態間に可逆パスが 1 つしか存在しないため、エントロピーのような準状態関数になります。重要なのは、 不可逆 の変化を計算するときでも、可逆熱を使用することです。 2 つの状態の間で変化します。

2 つの状態の間で温度が変化するかどうかに応じて、上記の方程式をさらに単純化できます。

ユニバーサル エントロピー

エントロピーはプロセスの自発性を決定するため、化学者や物理学者にとって重要です。これが何を意味するのかをよりよく理解するには、熱力学の第 2 法則を調べる必要があります。

第二法則は、宇宙のエントロピーは常に増加すると述べています。物理的な変化は、宇宙全体の無秩序を増加させるか、変化させないかのいずれかでなければなりません。宇宙の質量とエネルギーを秩序立てて方向付けるという全体的な効果を持つプロセスはあり得ません。

これを念頭に置いて、1 つは熱く、もう 1 つは冷たい 2 つの金属片があるとします。次に、導電性の金属ブリッジを配置して、2 つの間で熱が流れるようにします。熱は、高温の金属から低温の金属へと自然に、または外部からの介入なしに流れます。

冷たい金属から熱い金属に熱が流れず、温度がさらに上昇しないのはなぜでしょうか?結局、エネルギーが生成または破壊されないため、この動きは依然として第一法則に準拠します.

第二法則は、これが起こらない理由を説明しています。システムのエントロピー レベルは、熱が溶銑に集中するにつれて減少しますが、熱エネルギーが両方の金属全体に均等に分散する場合は増加します。したがって、熱は高温の金属から低温の金属にのみ流れ、宇宙のエントロピーは増加し続けます。

系のエントロピー

重要なことに、宇宙のエントロピーは例外なく増加する必要がありますが、システムのエントロピーは自然に減少する可能性があります.

たとえば、熱機関を考えてみましょう。一般に、熱機関は熱エネルギーを受け取り、それを仕事に変換することによって機能します。無秩序な熱エネルギーが秩序ある運動になるため、この変換には系のエントロピー減少が伴います。それにもかかわらず、熱機関は現実の世界でも自発的に機能しています。その理由は、エンジンからの熱の一部が宇宙に放出されるためです (つまり、コールド シンク)。この熱は、宇宙への分布の結果として、エンジンの仕事による減少を相殺するエントロピーの増加を伴います.

第 2 法則で義務付けられているように、この熱はエンジンによって放出され、ユニバーサル エントロピーの減少を防ぐ必要があります。

最初の例に戻ると、第 2 法則は、森林が自然に家にならない理由を説明していますが、十分な時間が与えられると、家は自然に森林に劣化します。しかし、現実世界では森は家になります。私たちが今知っているように、これは化学エネルギーが消費され、宇宙に熱を放出し、人体が必要な労働を行っているためです.

エントロピー対。エンタルピー

前の例では、化学者は「エンタルピー」という用語を使用して、エントロピーを減少させるプロセスによって放出されるこの熱を説明しています。エンタルピーは、熱力学的自発性を決定する上で重要ですが、明確な熱力学的概念です。エンタルピーについて詳しく知りたい場合は、この記事をチェックしてください。

ギブスの自由エネルギー

そのため、負のエンタルピー変化が発生する可能性があることを説明しましたが、それは熱がエンタルピーの形で放出されて普遍エントロピーが上昇した場合に限られます.自発性とこれら 2 つの変数の関係を数学的に理解するには、3 つ目の要素であるギブスの自由エネルギーを理解する必要があります。次の式は、エントロピー、エンタルピー、ギブスの自由エネルギー、および温度の関係を示しています:

化学反応に ΔG <0 が含まれる場合、その反応は自然発生的です。したがって、ΔS <0 の場合、ΔH <0 の場合にのみ反応が自発的に進行し、反応による熱が発生します。 Gibbs の自由エネルギーの詳細については、この記事をご覧ください。


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