Termodinamiskā entropija ir mērvienība, kas raksturo, cik daudz enerģijas sistēmā nav pieejama lietderīgam darbam tādā formā, kādā tā pašlaik atrodas, un vienlaikus sniedz informāciju par to, cik organizēta vai neorganizēta ir enerģija atomu un molekulu sistēmā. Entropiju parasti mēra džoulos uz kelvina vienību (J/K). Entropija ir centrāla termodinamikā: tā ir saistīta gan ar otrā likuma formulējumu (par spontānām, neparedzamām izmaiņām un entropijas pieaugumu izolētā sistēmā), gan ar trešā likuma noteikumu par entropijas uzvedību pie absolūtā nulles.

Statistiskā interpretācija

Statistiski entropiju var izskaidrot kā mikrostate skaitu, kas atbilst dotajam makrostatam. To formulē ar Bolcmaņa formulu S = k ln W, kur k ir Bolcmaņa konstante (k ≈ 1.380649·10⁻²³ J/K), bet W ir iespējamo mikrostavu skaits. Jo vairāk dažādu mikrostavu (tas ir — jo vairāk veidu, kā enerģija var būt sadalīta sistēmā), jo lielāka entropija.

Entropijas izmaiņas un mērvienības

Praktiski entropijas izmaiņu ΔS nosaka ar integrāli ΔS = ∫(dQ_rev / T), kur dQ_rev ir apmaiņa siltumā reversīvā procesā un T — temperatūra Kelvinos. Vienības ir J/K. Bieži lieto arī molāro entropiju ar vienībām J/(mol·K). Absolūtā entropija (piem., trešā likuma kontekstā) ir īpaši svarīga, aprēķinot ķīmiskas reakcijas entropijas izmaiņas un brīvās enerģijas maiņu.

Reversīvi un ne-reversīvi procesi; otrs termodinamikas likums

Otrajā termodinamikas likumā teikts, ka entropija izolētā sistēmā laika gaitā nemazinās; tā vai nu paliek nemainīga (reversīvā procesā) vai pieaug (ne-reversīvā procesā). Tas nozīmē, ka spontānas siltuma plūsmas un maisīšanās procesi parasti palielina kopējo entropiju, un līdzsvara stāvoklī (kad entropija ir maksimāla dotajām ierobežotajām enerģijām un apstākļiem) sistēmā vairs nav iespējas iegūt lietderīgu darbu.

Praktiski piemēri un skaidrojumi

Iedomājieties molekulu grupu ar desmit enerģijas vienībām. Ja šī enerģija ir ļoti organizēta (piem., koncentrēta dažās molekulās), no tās var iegūt vairāk lietderīga darba nekā tad, ja enerģija ir vienmērīgi izkliedēta. Ja entropija palielinās (enerģija kļūst mazāk organizēta), pieejamais lietderīgais darbs samazinās, pat ja kopējā enerģija nemainās.

Vienkāršs ikdienišķs piemērs ir tasīte karstas tējas un telpa, kurā tā atrodas. Tējai ir augstāka temperatūra nekā telpai, tāpēc siltums pāriet no tējas uz telpu — tas ir spontāns process, kas palielina kopējo entropiju. Ja sistēmu uzskatām par izolētu (nepieļaujot enerģijas papildināšanu), process turpinās līdz termiskajam līdzsvaram, kad vairs nevar iegūt lietderīgu darbu no temperatūras starpības. Ja telpu padara par atvērtu vai pieved papildus enerģiju (piem., ievietojot sildītāju), var samazināt lokālo entropiju (tēju uzsildīt), taču kopējā entropija Visumā ne samazinās — papildus enerģija un emisijas parasti palielina entropiju citur.

Sistēmu tipi: atvērtā, slēgtā, izolētā

  • Atvērta sistēma — var mainīties gan masa, gan enerģija (piemēram, Zeme saņem enerģiju no Saules, kā minēts rakstā; Zeme ir daļēji atvērta attiecībā uz enerģiju).
  • Slēgta sistēma — maiņa ar apkārtni notiek tikai enerģijai (piem., siltumplūsma), bet ne masai.
  • Izolēta sistēma — nav enerģijas vai masas apmaiņas; izolētās sistēmās kopējā entropija laika gaitā nevar samazināties.

Entropija un ķīmiskā/enerģētiskā darbība

Entropijas izmaiņas ir svarīgas, aprēķinot reakciju vai procesu spontaneitāti. Brīvā enerģija — Helmholca F = U − TS vai Gibbsa G = H − TS — sasaista entalpiju (vai iekšējo enerģiju) un entropiju: pie noteiktiem spiediena un temperatūras nosacījumiem process ir spontāns, ja ΔG < 0. Tātad entropija tieši ietekmē, vai enerģija var paveikt darbu konkrētā procesā.

Vēl daži piemēri un piezīmes

  • Ledus kušana: pat ja tiek pieņemts siltums no apkārtējās vides, entropija kopumā palielinās, jo ūdens molekulu kārtība samazinās, un daļa enerģijas kļūst mazāk pieejama lietderīgam darbam.
  • Maisīšanās: divu gāzu atsevišķa sajaukšanās pie izolētiem apstākļiem palielinās entropiju (vairāk mikrostavu).
  • Lokāla sakārtošana (piem., dzīvības formu uzturēšana) prasa enerģijas pieplūdi: lokāla entropijas samazināšana ir iespējama, bet tā parasti tiek kompensēta ar lielāku entropijas pieaugumu apkārtējo procesu dēļ.

Rezumējot: entropija ir mērs tam, cik daudz enerģijas sistēmā ir "izkliedēta" un cik maz no tās var izmantot lietderīgam darbam. Tā ir gan statistiska kategorija (mikrostavu skaits), gan termodinamiska lieluma izteiksme (siltuma apmaiņa pret temperatūru), un tā ir būtiska, lai saprastu procesus dabā un inženierzinātnēs.