entropia

entropia , a medida da temperatura de um sistema energia por unidade de temperatura que não está disponível para fins úteis trabalhos . Porque o trabalho é obtido do pedido molecular movimento, a quantidade de entropia também é uma medida da desordem molecular, ou aleatoriedade, de um sistema. O conceito de entropia fornece uma visão profunda da direção da mudança espontânea para muitos fenômenos cotidianos. Sua introdução pelo físico alemão Rudolf Clausius em 1850 é um destaque da física do século XIX.



A ideia de entropia fornece uma matemático maneira de codificar a noção intuitiva de quais processos são impossíveis, embora eles não violassem a lei fundamental de conservação de energia. Por exemplo, um bloco de gelo colocado em um fogão quente certamente derrete, enquanto o fogão fica mais frio. Esse processo é chamado de irreversível porque nenhuma pequena mudança fará com que a água derretida se transforme novamente em gelo enquanto o fogão fica mais quente. Em contraste, um bloco de gelo colocado em um banho de água gelada descongela um pouco mais ou congela um pouco mais, dependendo se uma pequena quantidade de calor é adicionada ou subtraída do sistema. Esse processo é reversível porque apenas uma quantidade infinitesimal de calor é necessária para mudar sua direção de congelamento progressivo para descongelamento progressivo. Da mesma forma, o gás comprimido confinado em um cilindro pode se expandir livremente para o atmosfera se uma válvula foi aberta (um processo irreversível), ou poderia fazer um trabalho útil empurrando um pistão móvel contra o força necessário para confinar o gás. O último processo é reversível porque apenas um ligeiro aumento na força de restrição poderia inverter a direção do processo da expansão para a compressão. Para processos reversíveis, o sistema está em equilíbrio com seu meio Ambiente , enquanto para processos irreversíveis não é.



pistões em um motor de automóvel

pistões em um motor de automóvel Pistões e cilindros de um motor de automóvel. Quando o ar e a gasolina estão confinados em um cilindro, a mistura faz um trabalho útil ao empurrar o pistão depois que ele é aceso. Thomas Sztanek / Shutterstock.com



entropia e a flecha do tempo

entropia e a flecha do tempo Albert Einstein referiu-se à entropia e à segunda lei da termodinâmica como os únicos insights sobre o funcionamento do mundo que nunca seriam destruídos. Este vídeo é um episódio de Brian Greene Equação Diária Series. World Science Festival (um parceiro editorial da Britannica) Veja todos os vídeos para este artigo

Para fornecer uma medida quantitativa para a direção da mudança espontânea, Clausius introduziu o conceito de entropia como uma forma precisa de expressar a segunda lei da termodinâmica . A forma de Clausius da segunda lei afirma que a mudança espontânea para um processo irreversível em um sistema isolado (isto é, aquele que não troca calor ou trabalha com seu entorno) sempre procede no sentido de aumentar a entropia. Por exemplo, o bloco de gelo e o fogão constituir duas partes de um sistema isolado para o qual a entropia total aumenta à medida que o gelo derrete.



Pela definição de Clausius, se uma quantidade de calor Q flui para um grande reservatório de calor na temperatura T acima do zero absoluto, então o aumento da entropia é Δ S = Q / T . Esta equação fornece efetivamente uma definição alternativa de temperatura que concorda com a definição usual. Suponha que existam dois reservatórios de calor R 1e R doisem temperaturas T 1e T dois(como o fogão e o bloco de gelo). Se uma quantidade de calor Q flui de R 1para R dois, então a mudança de entropia líquida para os dois reservatórios é equação de entropiao que é positivo desde que T 1> T dois. Assim, a observação de que o calor nunca flui espontaneamente do frio para o quente é equivalente a exigir que a mudança de entropia líquida seja positiva para um fluxo espontâneo de calor. Se T 1= T dois, então os reservatórios estão em equilíbrio , nenhum fluxo de calor e Δ S = 0.



A condição Δ S ≥ 0 determina o máximo possível eficiência de motores térmicos, ou seja, sistemas como gasolina ou motores a vapor que pode funcionar de maneira cíclica. Suponha que uma máquina de calor absorva calor Q 1a partir de R 1e esgota o calor Q doispara R doispara cada ciclo completo. Pela conservação de energia, o trabalho realizado por ciclo é DENTRO = Q 1- Q dois, e a mudança líquida de entropia é equação de entropiaFazer DENTRO tão grande quanto possível, Q doisdeve ser o menor possível em relação a Q 1. Contudo, Q doisnão pode ser zero, porque isso faria Δ S negativa e, portanto, violam a segunda lei. O menor valor possível de Q doiscorresponde à condição Δ S = 0, rendendo equação de entropiacomo a equação fundamental que limita a eficiência de todos os motores térmicos. Um processo para o qual Δ S = 0 é reversível porque uma mudança infinitesimal seria suficiente para fazer a máquina de calor funcionar para trás como uma geladeira.

O mesmo raciocínio também pode determinar a mudança de entropia para a substância de trabalho na máquina de calor, como um gás em um cilindro com um pistão móvel. Se o gás absorver um incremental quantidade de calor d Q de um reservatório de calor na temperatura T e se expande reversivelmente contra a pressão de restrição máxima possível P , então ele faz o trabalho máximo d DENTRO = P d V , Onde d V é a mudança de volume. A energia interna do gás também pode mudar em uma quantidade d você à medida que se expande. Então, pela conservação de energia, d Q = d você + P d V . Porque a mudança de entropia líquida para o sistema mais reservatório é zero quando máximo trabalhos é feito e a entropia do reservatório diminui em uma quantidade d S reservatório= - d Q / T , isso deve ser contrabalançado por um aumento de entropia de equação de entropiapara o gás de trabalho para que d S sistema + d S reservatório = 0. Para qualquer processo real, menos do que o trabalho máximo seria feito (por causa do atrito, por exemplo) e, portanto, a quantidade real de calor d Q ′ Absorvido do reservatório de calor seria menor que a quantidade máxima d Q . Por exemplo, pode-se permitir que o gás se expanda livremente no vácuo e não faça nenhum trabalho. Portanto, pode-se afirmar que equação de entropiacom d Q ′ = d Q no caso de trabalho máximo correspondente a um processo reversível.



Esta equação define S sistema tenha um termodinâmico variável de estado, o que significa que seu valor é completamente determinado pelo estado atual do sistema e não por como o sistema atingiu esse estado. A entropia é uma propriedade extensa em que sua magnitude depende da quantidade de material no sistema.

Em uma interpretação estatística da entropia, verifica-se que, para um sistema muito grande em equilíbrio termodinâmico, a entropia S é proporcional ao natural logaritmo de uma quantidade Ω que representa o número máximo de formas microscópicas em que o estado macroscópico correspondente a S pode ser realizado; isso é, S = para ln Ω, em que para é a constante de Boltzmann que está relacionada com molecular energia.



Todos os processos espontâneos são irreversíveis; portanto, foi dito que a entropia do universo está aumentando: isto é, cada vez mais energia se torna indisponível para a conversão em trabalho. Por causa disso, diz-se que o universo está se esgotando.



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