17.2:
엔트로피
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엔트로피
물에 용해된 염분 입자는 고체 입자를 개혁하기 위해 자발적으로 함께 돌아오지 않습니다. 또한 진공 상태에서 확장된 가스는 분산되어 있으며 자발적으로 재조립하지 않습니다. 이러한 현상의 단방향 특성은 엔트로피(S)라는열역학 상태 기능의 결과입니다. 엔트로피는 에너지가 시스템 전체에 분산되는 정도의 척도이며, 또는 즉 열역학 시스템의 장애 정도에 비례한다. 엔트로피는 시스템에 대한 물리적 또는 화학적 변화의 결과로 증가(ΔS > 0, 장애 증가) 또는 감소(Δ S&0, 장애 감소)가 발생할 수 있다. 엔트로피의 변화는 최종 및 초기 상태의 엔트로피의 차이입니다 : ΔS = Sf – Si.
볼트만의 마이크로스테이트 이론
마이크로스테이트는 시스템을 구성하는 원자 또는 분자의 모든 위치 및 에너지의 특정 구성입니다. 시스템의 엔트로피와 가능한 미세 상태(W)의수 사이의 관계는 S = k ln W이며, 여기서 k는 볼트만 상수, 1.38 × 10-23 J / K입니다.
엔트로피의 변화는
가능한 마이크로 스테이트의 더 많은 수를 가지고 시스템은 더 무질서 (더 높은 엔트로피) 마이크로 스테이트의 적은 수와 주문 시스템 (낮은 엔트로피)보다. 마이크로스테이트의 개수의 증가를 포함하는 공정의 경우, Wf > Wi,시스템의 엔트로피가 증가하고 ΔS > 0. 반대로, 마이크로스테이트의 수를 줄이는 공정, Wf & Wi,시스템 엔트로피, ΔS & 0의 감소를 산출한다.
연결된 두 플라스크 사이에 이상적인 가스가 분포하는 것을 고려하십시오. 처음에 가스 분자는 두 플라스크 중 하나에국수있습니다. 플라스크 사이의 밸브를 열면 가스 분자(에너지가 더 큰 도메인을 통해 더 분산되어 있음)에 사용할 수 있는 부피를 증가시키고, 그에 상응하여 시스템에 가능한 마이크로스테이트의 수가 증가합니다. Wf > Wi이후, 확장 과정엔트로피의 증가를 포함 (ΔS > 0) 그리고 자발적이다.
유사한 접근은 열의 자발적인 교류를 설명하기 위하여 이용될 수 있습니다. 뜨거운 차 한 잔은 쿨러 룸의 공기 입자에 에너지를 고르게 분산시켜 더 많은 수의 미세 상태를 생성합니다.
엔트로피에 관한 일반화
엔트로피, 미세 상태 및 물질 /에너지 분산 사이의 관계는 물질의 상대적 엔트로피에 관한 일반화를 가능하게하고 화학 및 물리적 과정에 대한 엔트로피 변화의 징후를 예측할 수 있습니다.
고체 단계에서 원자 또는 분자는 서로에 대해 거의 고정된 위치로 제한되며 이러한 위치에 대한 겸손한 진동만 가능합니다. 따라서, 미세 상태의 수는 상대적으로 작다. 액체 단계에서 원자 또는 분자는 서로 비교적 가까운 곳에 남아 있지만 서로 자유롭게 움직일 수 있습니다. 따라서, 미세 상태의 수는 고체에 대해보다 그에 따라 크다. 그 결과, S액체 > S고체 및 고체에서 액체(용융)로 물질을 변환하는 공정은 엔트로피, ΔS> 0의 증가를 특징으로 한다. 동일한 논리에 의해 상호 프로세스(동결)는 엔트로피, ΔS & 0의 감소를 나타낸다.
기체 상에서 주어진 수의 원자 또는 분자는 훨씬 더 많은 수의 미세 상태에 대응하는 액체 상보다 훨씬 더 큰 부피를 차지합니다. 따라서, 어떤 물질에 대해, S가스 > S액체 > S고체 및 기화 및 승화 공정도 마찬가지로 엔트로피, ΔS > 0의 증가를 포함한다. 마찬가지로, 상호 위상 전환-응축 및 증착-엔트로피, ΔS & 0의 감소를 포함한다.
운동 분자 이론에 따르면, 물질의 온도는 입자의 평균 운동 에너지에 비례합니다. 물질의 온도를 높이면 고체입자의 진동이 더 광범위하고 액체와 가스의 입자가 더 빠르게 번역됩니다. 더 높은 온도에서, 물질의 원자 또는 분자 중 운동 에너지의 분포는 또한 낮은 온도에서 보다 더 분산. 따라서, 어떤 물질에 대한 엔트로피는 온도에 따라 증가한다.
물질의 엔트로피는 물질을 포함하는 입자(원자 또는 분자)의 구조에 의해 영향을 받습니다. 원자 물질에 관해서는, 무거운 원자는 입자의 질량과 양자화된 번역 에너지 레벨의 간격 사이의 관계의 결과인 가벼운 원자보다 주어진 온도에서 더 큰 엔트로피를 가지고 있습니다. 분자의 경우, 원자의 큰 숫자는 분자가 진동할 수 있는 방법의 수를 증가시키고 따라서 가능한 미세 상태의 수 및 시스템의 엔트로피.
마지막으로, 입자 유형의 변화는 시스템의 엔트로피에 영향을 미칩니다. 모든 입자가 동일한 순수 물질과 비교하여 두 개 이상의 상이한 입자 유형의 혼합물의 엔트로피가 더 큽니다. 이는 동일하지 않은 구성 요소로 구성된 시스템에서 가능한 추가 방향 및 상호 작용 때문입니다. 예를 들어, 고체가 액체에 용해되면 고체 입자는 용매 입자와의 움직임의 자유와 추가 상호 작용을 경험합니다. 이것은 물질과 에너지의 더 균일한 분산및 미세 상태의 더 많은 수에 해당합니다. 용해 공정은 엔트로피, ΔS > 0의 증가를 포함한다.