Entropi (ordning och oordning)

Boltzmanns molekyler (1896) visade i en "viloposition" i ett fast ämne

Inom termodynamiken förknippas entropi ofta med mängden ordning eller oordning i ett termodynamiskt system . Detta härrör från Rudolf Clausius påstående från 1862 att varje termodynamisk process alltid "medger att den reduceras [reduktion] till förändringen på ett eller annat sätt av arrangemanget av de ingående delarna av den arbetande kroppen" och att internt arbete i samband med dessa förändringar är kvantifieras energiskt genom ett mått på "entropi" förändring, enligt följande differentiella uttryck :

\int \!{\frac {\delta Q}{T}}\geq 0

där $Q$ = rörelseenergi (”värme”) som överförs reversibelt till systemet från omgivningen och $T$ = den absoluta temperatur vid vilken överföringen sker.

Under åren som följde översatte Ludwig Boltzmann dessa "arrangemangsändringar" till en probabilistisk syn på ordning och reda i molekylära system i gasfas . I entropisammanhang har " perfekt inre störning " ofta betraktats som en beskrivning av termodynamisk jämvikt, men eftersom det termodynamiska konceptet är så långt ifrån vardagligt tänkande, har användningen av termen inom fysik och kemi orsakat mycket förvirring och missförstånd.

Under de senaste åren, för att tolka begreppet entropi, genom att ytterligare beskriva "arrangemangets förändringar", har det skett en förskjutning från orden "ordning" och "störning", till ord som "spridning" och "spridning " .

Historia

Detta "molekylära ordnande" entropiperspektiv spårar sitt ursprung till tolkningar av molekylära rörelser som utvecklades av Rudolf Clausius på 1850-talet, särskilt med hans visuella uppfattning om molekylär disgregation från 1862 . På liknande sätt, 1859, efter att ha läst en artikel om diffusion av molekyler av Clausius, formulerade den skotske fysikern James Clerk Maxwell Maxwell-fördelningen av molekylära hastigheter, vilket gav andelen molekyler med en viss hastighet inom ett specifikt område. Detta var den första statistiska lagen någonsin i fysiken.

1864 kom Ludwig Boltzmann , en ung student i Wien, över Maxwells tidning och blev så inspirerad av den att han ägnade mycket av sitt långa och framstående liv åt att utveckla ämnet ytterligare. Senare tillämpade Boltzmann, i sina försök att utveckla en kinetisk teori för en gass beteende, sannolikhetslagarna på Maxwells och Clausius molekylära tolkning av entropi för att börja tolka entropin i termer av ordning och oordning. På liknande sätt använde Hermann von Helmholtz 1882 ordet "Unordnung" (störning) för att beskriva entropi.

Översikt

För att belysa det faktum att ordning och oordning vanligtvis uppfattas som mätt i termer av entropi, nedan är aktuella vetenskapsuppslagsverk och vetenskapslexikon definitioner av entropi:

Ett mått på otillgängligheten hos ett systems energi för att utföra arbete; också ett mått på störning; ju högre entropi desto större störning.
Ett mått på störning; ju högre entropi desto större störning.
Inom termodynamik, en parameter som representerar oordningstillståndet i ett system på atom-, jon- eller molekylnivå; ju större oordning desto högre entropin.
Ett mått på oordning i universum eller på otillgängligheten hos energin i ett system för att utföra arbete.

Entropi och störning har också samband med jämvikt . Tekniskt sett definieras entropi ur detta perspektiv som en termodynamisk egenskap som fungerar som ett mått på hur nära ett system är till jämvikt - det vill säga perfekt inre oordning . Likaså är värdet av entropin för en fördelning av atomer och molekyler i ett termodynamiskt system ett mått på oordningen i partiklarnas arrangemang. I ett utsträckt stycke gummi, till exempel, har arrangemanget av molekylerna i dess struktur en "ordnad" fördelning och har noll entropi, medan den "oordnade" kinky fördelningen av atomerna och molekylerna i gummit i den icke-sträckta staten har positiv entropi. På samma sätt, i en gas ordningen perfekt och systemets entropimått har sitt lägsta värde när alla molekylerna är på ett ställe, medan när fler punkter är upptagna är gasen desto mer oordnad och måttet på entropin av systemet har sitt största värde.

Inom systemekologi , som ett annat exempel, definieras entropin för en samling av föremål som utgör ett system som ett mått på deras störning eller motsvarande den relativa sannolikheten för den momentana konfigurationen av föremålen. Dessutom, enligt den teoretiska ekologen och kemiingenjören Robert Ulanowicz , "att entropin kan ge en kvantifiering av den hittills subjektiva uppfattningen om oordning har gett upphov till otaliga vetenskapliga och filosofiska berättelser." I synnerhet har många biologer börjat tala i termer av en organisms entropi, eller om dess antonym negentropi , som ett mått på den strukturella ordningen inom en organism.

Den matematiska grunden med avseende på associationsentropin med ordning och oordning började i huvudsak med den berömda Boltzmann-formeln , $S=k_{\mathrm {B} }\ln W\!$ , som relaterar entropin S till antalet möjliga tillstånd W i vilka ett system kan hittas. Som ett exempel, betrakta en ruta som är uppdelad i två sektioner. Vad är sannolikheten att ett visst antal, eller alla partiklar, kommer att finnas i en sektion mot den andra när partiklarna slumpmässigt fördelas på olika platser i lådan? Om du bara har en partikel, då kan systemet med en partikel existera i två tillstånd, ena sidan av lådan mot den andra. Om du har mer än en partikel, eller definierar tillstånd som ytterligare lokaliseringsunderavdelningar av rutan, är entropin större eftersom antalet tillstånd är större. Relationen mellan entropi, ordning och oordning i Boltzmann-ekvationen är så tydlig bland fysiker att enligt termodynamiska ekologers synpunkter Sven Jorgensen och Yuri Svirezhev, "det är uppenbart att entropi är ett mått på ordning eller, mest troligt, oordning i systemet." I denna riktning säger termodynamikens andra lag, som den berömt uttalades av Rudolf Clausius 1865, att:

Universums entropi tenderar till ett maximum.

Således, om entropi är förknippad med oordning och om universums entropi är på väg mot maximal entropi, så är många ofta förbryllade angående arten av evolutionens "ordnande" process och funktion i förhållande till Clausius mest kända version av andra lagen, som säger att universum är på väg mot maximal "störning". I den senaste boken 2003 SYNC – the Emerging Science of Spontaneous Order av Steven Strogatz , till exempel, finner vi "Forskare har ofta blivit förbryllade över förekomsten av spontan ordning i universum. Termodynamikens lagar tycks diktera motsatsen, att naturen obönhörligt ska urarta mot ett tillstånd av större oordning, större entropi. Ändå ser vi överallt omkring oss magnifika strukturer – galaxer, celler, ekosystem, människor – som alla på något sätt har lyckats bygga ihop sig själva.”

Det vanliga argumentet som används för att förklara detta är att lokalt kan entropin sänkas genom yttre påverkan, t.ex. solvärmeverkan, och att detta gäller maskiner, såsom ett kylskåp, där entropin i kylkammaren reduceras, för att växa kristaller och levande organismer. Denna lokala ordningsökning är dock endast möjlig på bekostnad av en entropiökning i omgivningen; här måste mer oordning skapas. Konditioneringsmedlet i detta uttalande räcker att levande system är öppna system där både värme , massa och/eller arbete kan överföras in i eller ut ur systemet. Till skillnad från temperatur skulle den förmodade entropin i ett levande system drastiskt förändras om organismen var termodynamiskt isolerad. Om en organism befann sig i den här typen av "isolerad" situation, skulle dess entropi öka markant när de en gång levande komponenterna i organismen förföll till en oigenkännlig massa.

Fasförändring

På grund av dessa tidiga utvecklingar är det typiska exemplet på entropiförändring ΔS det som är associerat med fasförändring. I fasta ämnen, till exempel, som vanligtvis är ordnade på molekylär skala, har de vanligtvis mindre entropi än vätskor, och vätskor har mindre entropi än gaser och kallare gaser har mindre entropi än varmare gaser. Dessutom, enligt termodynamikens tredje lag , vid absolut nolltemperatur , uppskattas kristallina strukturer ha perfekt "ordning" och noll entropi. Denna korrelation uppstår eftersom antalet olika mikroskopiska kvantenergitillstånd som är tillgängliga för ett ordnat system vanligtvis är mycket mindre än antalet tillstånd som är tillgängliga för ett system som verkar vara oordnat.

Från hans berömda föreläsningar om gasteori från 1896 , diagrammer Boltzmann strukturen av en fast kropp, som visas ovan, genom att postulera att varje molekyl i kroppen har en "viloposition". Enligt Boltzmann, om den närmar sig en grannmolekyl stöts den bort av den, men om den rör sig längre bort finns det en attraktion. Detta var naturligtvis ett revolutionerande perspektiv på sin tid; många, under dessa år, trodde inte på existensen av vare sig atomer eller molekyler (se: molekylens historia ) . Enligt dessa tidiga åsikter, och andra som de som utvecklats av William Thomson , om energi i form av värme läggs till ett fast ämne, så för att göra det till en vätska eller en gas, är en vanlig skildring att atomernas ordning och molekyler blir mer slumpmässiga och kaotiska med en ökning av temperaturen:

Sålunda, enligt Boltzmann, på grund av ökningar i termisk rörelse, närhelst värme tillförs ett fungerande ämne, kommer molekylernas viloposition att tryckas isär, kroppen kommer att expandera, och detta kommer att skapa mer molar-ordnade distributioner och arrangemang av molekyler . Dessa oordnade arrangemang korrelerar sedan, via sannolikhetsargument, till en ökning av måttet på entropi.

Entropi-driven ordning

Entropi har historiskt, t.ex. av Clausius och Helmholtz, förknippats med oordning. Men i vanligt tal används ordning för att beskriva organisation, strukturell regelbundenhet eller form, som den som finns i en kristall jämfört med en gas. Denna vanliga föreställning om ordning beskrivs kvantitativt av Landau-teorin . I Landau-teorin sammanfaller ordningens utveckling i vardaglig mening med förändringen av värdet på en matematisk storhet, en så kallad ordningsparameter . Ett exempel på en ordningsparameter för kristallisation är "bondorienteringsordning" som beskriver utvecklingen av föredragna riktningar (de kristallografiska axlarna) i rymden. För många system uppvisar faser med mer strukturell (t.ex. kristallin) ordning mindre entropi än flytande faser under samma termodynamiska förhållanden. I dessa fall ger märkningsfaser som ordnade eller oordnade enligt den relativa mängden entropi (enligt Clausius/Helmholtz-begreppet ordning/störning) eller via förekomsten av strukturell regelbundenhet (enligt Landau-begreppet om ordning/störning) matchande etiketter.

Det finns dock en bred klass av system som manifesterar entropidriven ordning, där faser med organisation eller strukturell regelbundenhet, t.ex. kristaller, har högre entropi än strukturellt oordnade (t.ex. flytande) faser under samma termodynamiska förhållanden. I dessa system är faser som skulle betecknas som oordnade på grund av sin högre entropi (i betydelsen Clausius eller Helmholtz) ordnade i både vardaglig mening och i Landau-teorin.

Under lämpliga termodynamiska förhållanden har entropi förutspåtts eller upptäckts inducera system att bilda ordnade flytande kristaller, kristaller och kvasikristaller. I många system driver riktade entropiska krafter detta beteende. På senare tid har det visat sig att det är möjligt att exakt konstruera partiklar för målordnade strukturer.

Adiabatisk avmagnetisering

I jakten på ultrakalla temperaturer används en temperatursänkande teknik som kallas adiabatisk avmagnetisering , där atomentropiöverväganden används som kan beskrivas i ordningsstörningstermer. I denna process är ett prov av fast material såsom krom-alunsalt, vars molekyler är likvärdiga med små magneter, inuti en isolerad inneslutning kyld till en låg temperatur, vanligtvis 2 eller 4 kelvin, med ett starkt magnetfält som appliceras på behållaren med hjälp av en kraftfull extern magnet, så att de små molekylära magneterna är inriktade och bildar ett välordnat "initial" tillstånd vid den låga temperaturen. Denna magnetiska inriktning innebär att den magnetiska energin för varje molekyl är minimal. Det externa magnetfältet reduceras då, ett avlägsnande som anses vara nära reversibelt . Efter denna reduktion antar atommagneterna sedan slumpmässiga mindre ordnade orienteringar, på grund av termiska agitationer, i det "slutliga" tillståndet:

Entropi "ordning"/"störning" överväganden i processen för adiabatisk avmagnetisering

"Oordningen" och därmed entropin som är förknippad med förändringen i de atomära inriktningarna har tydligt ökat. När det gäller energiflöde kräver rörelsen från ett magnetiskt inriktat tillstånd energi från molekylernas termiska rörelse, vilket omvandlar termisk energi till magnetisk energi. Ändå, enligt termodynamikens andra lag , eftersom ingen värme kan komma in i eller lämna behållaren, på grund av dess adiabatiska isolering, bör systemet inte uppvisa någon förändring i entropin, dvs Δ S = 0. Ökningen av oordning är dock associerad med atommagneternas randomiseringsriktningar representerar en entropiökning ? För att kompensera för detta måste störningen (entropin) som är förknippad med temperaturen på provet minska med samma mängd. Temperaturen sjunker alltså som ett resultat av att denna process av termisk energi omvandlas till magnetisk energi. Om magnetfältet sedan ökas stiger temperaturen och det magnetiska saltet måste kylas igen med ett kallt material som flytande helium.

Svårigheter med termen "störning"

Under de senaste åren har den långvariga användningen av termen "störning" för att diskutera entropi mött en del kritik. Kritiker av terminologin hävdar att entropi inte är ett mått på "störning" eller "kaos", utan snarare ett mått på energins spridning eller spridning till fler mikrotillstånd. Shannons användning av termen "entropi" i informationsteori hänvisar till den mest komprimerade, eller minst spridda, mängd kod som behövs för att omfatta innehållet i en signal.

Se även

externa länkar

Lambert, FL Entropy Sites—A Guide
Lambert, FL blandade kort, stökiga skrivbord och stökiga sovsalar – exempel på entropiökning? dumheter! Journal of Chemical Education