エントロピーは、熱力学系のランダム性を測定するために使用される状態関数の 1 つです。エントロピーは通常、エントロピーの全体的な変化を計算するために、システムと環境を一緒に測定します。
ΔS =Ssystem – S 環境
または
ΔS =Sfinal – S イニシャル
または
ΔS =S2-S1
初期状態と最終状態のエントロピー値の差のみを計算して、全体的なエントロピーを測定できます。エネルギーとエントロピーは関連していますが、異なる用語です。通常、エネルギーはエネルギー保存則に従って保存されます。エネルギーは作り出すことも破壊することもできませんが、ある形から別の形に変換することはできます。エネルギーとは異なり、エントロピーは保存されず、エントロピー保存の原則はありません。
エントロピーは物理的特性であり、その値はシステムの状態が変化した場合にのみ変化します。したがって、システムの状態に変化がない場合、エントロピーの変化はゼロ (ΔS =0) です。
内容の概要
システムのエントロピーは、無秩序さの尺度です。システムのエントロピーは、システムのランダム性の増加とともに増加します。エントロピーは、固体の場合は最小値になり、気体粒子の場合は最大値になります。
ゼロ エントロピー状態
ゼロエントロピー条件は、絶対ゼロ条件とも呼ばれます。この状態は、絶対温度がゼロの純粋で完全に結晶性の固体で観察されます。このステートメントは、熱力学の第 3 法則からのものです。絶対零度とは、摂氏 -273 度または 0 ケルビンの温度で、粒子が動きを停止または最小の動きで凍結する温度です。この場合、システムは非常に秩序立っていると言われ、エントロピーはすべての状態がゼロであると見なされます。粒子を知ることができます。しかし、すべての自然過程は自発的であり、エントロピー方向の増加に向かって移動するため、ゼロエントロピー条件は不可能です。最小エントロピー条件は、粒子が動きを示さずに平均位置で振動する多くの固体で達成できます。
例:ゼロ ケルビンで完全に結晶化した固体
最小エントロピー条件:システムの秩序化が進み、エネルギーが少ない場合、エントロピーはシステムの最小値を取ることができます。エントロピーの減少が観察されるプロセスは、凍結、凝縮、および凝固です。これらのプロセスはすべて非自発的です。
- 凍結:液体が冷蔵庫で凍って固い氷になると、粒子が互いに接近し、より規則的になるため、初期状態と比較して最終状態のエントロピーが減少します。これは、エネルギーを供給することによって実行される非自発的なプロセスであり、自然に発生するものではありません。
- 凝縮:液体が加熱されると蒸気に変わり、エネルギーが供給されなくなると、蒸気は冷却を開始し、システムの状態が規則性の低い状態から規則性の高い状態に変化する液滴に変わります。したがって、エントロピーは減少します。
- 固化:固体の加熱によって形成された固体の蒸気粒子が冷却されると、系のエントロピーが減少します。蒸気形態と比較して、固体形態の粒子はより規則的でランダム性が低いため、エントロピーの値は小さくなります。
最大エントロピー条件:エントロピーは、外部からの支援がなくても自発的に自然に発生するプロセスで最大値に達する可能性があります。このプロセスには、溶融、気化または蒸発、昇華が含まれます。
- 融解:融解とは、固体を液体に変えるプロセスです。例 - 冷蔵庫の外に置かれた角氷が溶け始めると、すぐに液体が形成されます。氷には粒子または分子が規則正しく並んでおり、固定された形状と結晶を形成していますが、液体の粒子は自由に動き、よりランダムです。このプロセスにより、システムのエントロピーが増加し、自発的なプロセスが増加します。
- 蒸発:蒸発とは、液体を蒸気の形に変えるプロセスです。例 - 熱エネルギーを使用して水を沸騰させると、粒子はエネルギーを獲得し、互いに遠く離れて移動し、連続的なランダムな動きで存在します。システムのエントロピーを増加させます。
- 昇華:昇華は、固体を加熱するプロセスであり、液体を形成することなく直接蒸気の形に変わります。このプロセスでは、システムは固体から蒸気の形に変化し、そこでランダム性が増加し、エントロピーが増加することが観察されます。
無限エントロピー
宇宙の最大エントロピーは S=10123kB に達するか、今日の既存のエントロピーよりも 100 京倍大きくなります。エントロピーの最も使用できないエネルギーとエネルギーの質のため、そのような最大制限はありません。
結論
システムのエントロピーは、システムと周囲の物質のさまざまな要因に依存する相対値です。エントロピーに限界があるとは言えません。したがって、エントロピーは条件によって任意の値を持つことができます。
