Mini-kurzus
Entrópia
Az entrópia állapotfüggvény, amely a rendszer energiájának mikroszkopikus eloszlási lehetőségeivel kapcsolatos. Nem egyszerűen „rendetlenség”: pontos termodinamikai jelentése szerint reverzibilis hőközlésnél dS=δq_rev/T, statisztikus leírásban pedig a lehetséges mikroállapotok számához kötődik.
Mikroállapot és makroállapot
Egy makroállapotot nyomás, térfogat, hőmérséklet és összetétel jellemezhet, miközben ugyanaz a makroállapot rengeteg különböző részecskeelrendezéssel és energiaeloszlással valósulhat meg. Boltzmann összefüggése S=k_B lnΩ szerint nagyobb számú hozzáférhető mikroállapot nagyobb entrópiához kapcsolódik.
Gáz tágulása
Ha egy ideális gáz nagyobb térfogatot kap, több helyzet áll rendelkezésre a részecskék számára. Izoterm szabad táguláskor a gáz entrópiája nő még akkor is, ha a rendszer belső energiája ideális esetben nem változik. A növekedés annak következménye, hogy a részecskék számára több mikroállapot válik elérhetővé.
Hő és hőmérséklet
Ugyanaz a kis hőmennyiség alacsonyabb hőmérsékleten nagyobb entrópiaváltozást eredményezhet, mert dS=δq_rev/T. Ez segít megérteni, miért különleges szerepű az abszolút hőmérséklet. A képletben T kelvinben szerepel; Celsius-fok közvetlen használata termodinamikai hányadosban hibás.
A második főtétel
Izolált rendszerben a teljes entrópia spontán folyamat során nem csökken: ΔS_univ≥0. A rendszer entrópiája önmagában csökkenhet, ha a környezeté ennél nagyobb mértékben nő. Kristályosodáskor például az anyag rendezettebb fázisba kerülhet, miközben felszabaduló hő növeli a környezet entrópiáját.
Fázisátalakulás
Olvadáskor és párolgáskor általában nő az anyag entrópiája, mert több mozgási és elrendezési lehetőség válik hozzáférhetővé. Egyensúlyi fázisátalakulásnál ΔS_tr=ΔH_tr/T_tr. A gázfázis rendszerint nagyobb moláris entrópiájú, mint a folyadék, a folyadék pedig gyakran nagyobb, mint a rendezett kristály.
Keveredés
Különböző gázok vagy oldott anyagok spontán keveredése gyakran növeli a konfigurációs lehetőségek számát. Ez entrópianövekedést adhat akkor is, ha a keveredés entalpiaváltozása kicsi. Emiatt az entrópia valódi hajtóerő lehet olyan folyamatoknál, amelyeket pusztán „hőkibocsátással” nem lehet megérteni.
Gyakori hiba
Az entrópia nem valamiféle helyi káoszmérő. Rendezett struktúra spontán is kialakulhat, ha a teljes rendszer + környezet entrópiamérlege ezt lehetővé teszi. A biológiai szerveződés sem sérti a második főtételt, mert az élő rendszer nem izolált.
Próbáld ki
Egy folyamatban a rendszer entrópiája −20 J/K-kel, a környezeté +35 J/K-kel változik. Összhangban van-e spontán folyamattal?
Megoldás
ΔS_univ=−20+35=+15 J/K, tehát igen: a teljes entrópia nő.