熵是物理学和化学中的一个重要概念,它还可以应用于其他学科,包括宇宙学和经济学。在物理学中,它是热力学的一部分。在化学中,它是物理化学中的一个核心概念。
熵是衡量一个系统无序程度的尺度。它是热力学系统的一个广泛性质,这意味着它的值根据存在的物质量而变化。在方程中,熵通常用字母S表示,单位为焦耳/开尔文(J⋅K−1) 或公斤⋅平方米⋅s−2.⋅K−1.高度有序的系统具有低熵。
计算熵有多种方法,但最常见的两个方程是可逆热力学过程和等温(恒温)过程。
可逆过程的熵
当计算可逆过程的熵时,会做出某些假设。可能最重要的假设是,流程中的每个配置都具有相同的可能性(实际上可能并非如此)。给定相等的结果概率,熵等于玻尔兹曼常数(kB)乘以可能状态数(W)的自然对数:
S=kB ln W
玻尔兹曼常数为1.38065×10−23 J/K。
等温过程的熵
微积分可以用来求dQ/T从初始状态到最终状态的积分,其中Q是热,T是系统的绝对(开尔文)温度。
另一种表述方式是熵的变化(ΔS)等于热的变化(ΔQ)除以绝对温度(T):
ΔS=ΔQ/T
熵与内能
在物理化学和热力学中,最有用的方程式之一是熵与系统内能(U)的关系:
dU=tds-pdv
这里,内能的变化dU等于绝对温度T乘以熵的变化减去外部压力p和体积V的变化。
热力学第二定律指出,封闭系统的总熵不能降低。然而,在一个系统中,一个系统的熵可以通过提高另一个系统的熵来降低。
一些科学家预测,宇宙的熵会增加到这样一个程度,即随机性会造成一个无法进行有用工作的系统。当只剩下热能时,宇宙就会被称为热死。
然而,其他科学家对热死亡理论提出了质疑。有人说,宇宙作为一个系统,即使其内部区域的熵增加,也会远离熵。其他人认为宇宙是大系统的一部分。还有人说,可能的状态不具有相同的可能性,因此计算熵的普通方程不成立。
当一块冰融化时,它的熵会增加。很容易想象系统无序程度的增加。冰由在晶格中相互结合的水分子组成。当冰融化时,分子获得更多的能量,扩散得更远,失去结构而形成液体。类似地,从液体到气体(如从水到蒸汽)的相变增加了系统的能量。
另一方面,能量会减少。这发生在蒸汽变成水或水变成冰时。热力学第二定律没有被违反,因为物质不在封闭系统中。当被研究系统的熵可能减小时,环境的熵可能增大。
熵通常被称为时间之箭,因为孤立系统中的物质往往从有序走向无序。
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