Entropi

Suda çözünmüş tuz parçacıkları, katı parçacıkları yeniden şekillendirmek için asla kendiliğinden çözelti içinde bir araya gelmez. Dahası, bir vakumda genişleyen bir gaz dağınık kalır ve asla kendiliğinden yeniden birleşmez. Bu fenomenlerin tek yönlü doğası, entropi (S) adı verilen bir termodinamik durum fonksiyonunun sonucudur. Entropi, enerjinin bir sistem boyunca dağılma derecesinin ölçüsüdür veya başka bir deyişle, bir termodinamik sistemin bozukluk derecesi ile orantılıdır. Entropi, sistemin fiziksel veya kimyasal değişikliklerinin bir sonucu olarak artabilir (ΔS > 0, bozukluk artar) veya azalabilir (Δs < 0, bozukluk azalır). Entropideki değişim, son ve başlangıç durumlarının entropileri arasındaki farktır: ΔS = S_f – S_i.

Boltzmann’ın Mikro Durumlar Teorisi

Bir mikro durum, bir sistemi oluşturan atomların veya moleküllerin tüm konumlarının ve enerjilerinin spesifik bir konfigürasyonudur. Bir sistemin entropisi ve olası mikro durumların sayısı (W) arasındaki ilişki S = k ln W’dir, burada K Boltzmann sabitidir, 1,38 × 10^{− 23} J/K.

Entropideki değişim

Daha fazla sayıda olası mikro durumlara sahip bir sistem, daha az sayıda mikro durumlara sahip sıralı bir sistemden (daha düşük entropi) daha düzensizdir (daha yüksek entropi). Mikro durum sayısında bir artış içeren işlemler için, W_f > W_i, sistemin entropisi artar ve ΔS > 0. Tersine, mikro durum sayısını azaltan işlemler, W_f < W_i, sistem entropisinde bir azalma sağlar, ΔS < 0.

Bağlı iki şişe arasında ideal bir gazın dağılımını düşünün. Başlangıçta, gaz molekülleri iki şişeden sadece biriyle sınırlıdır. Şişeler arasındaki valfin açılması, gaz molekülleri için mevcut hacmi (enerji daha büyük bir alan boyunca daha fazla dağılır) ve buna bağlı olarak sistem için mümkün olan mikro durum sayısını arttırır. W_f > W_i olduğundan, genişleme süreci, entropide bir artış içerir (ΔS > 0) ve spontandır.

Spontan ısı akışını tanımlamak için benzer bir yaklaşım kullanılabilir. Sıcak bir fincan çay, enerjisini soğutucu odadaki daha fazla sayıda hava parçacığına eşit olarak dağıtır ve daha fazla sayıda mikro durum ile sonuçlanır.

Entropi ile İlgili Genellemeler

Entropi, mikro durumlar ve madde/enerji dağılımı arasındaki ilişkiler, maddelerin nispi entropileri ile ilgili genellemelerin yapılmasına ve kimyasal ve fiziksel süreçler için entropi değişikliklerinin işaretinin tahmin edilmesine izin verir.

Katı fazda, atomlar veya moleküller birbirine göre neredeyse sabit konumlarla sınırlıdır ve bu konumlar hakkında sadece mütevazı salınımlar yapabilirler. Bu nedenle, mikro durum sayısı nispeten küçüktür. Sıvı fazda, atomlar veya moleküller birbirlerine nispeten yakın kalsalar da birbirlerinin üzerinde ve çevresinde hareket etmekte serbesttirler. Bu nedenle, mikro durumların sayısı buna göre katıdan daha büyüktür. Sonuç olarak, S_sıvı> S_katı ve bir maddeyi katıdan sıvıya dönüştürme işlemi (erime) entropide bir artış ile karakterize edilir, ΔS > 0. Aynı mantıkla, karşılıklı işlem (donma) entropide bir azalma gösterir, ΔS < 0.

  Gaz fazında,  belirli sayıda atom veya molekül, çok daha fazla sayıda mikro durumlara karşılık gelen sıvı fazdan çok daha büyük bir hacme sahiptir. Sonuç olarak, herhangi bir madde için, S_gaz > S_sıvı > S_katı ve buharlaşma ve süblimasyon işlemleri de entropide artışları içerir, ΔS > 0. Benzer şekilde, karşılıklı faz geçişleri — yoğunlaşma ve çökelme— entropide azalmalar içerir, ΔS < 0.

Kinetik-moleküler teoriye göre, bir maddenin sıcaklığı parçacıklarının ortalama kinetik enerjisi ile orantılıdır. Bir maddenin sıcaklığının yükseltilmesi, katılardaki parçacıkların daha geniş titreşimlerine ve parçacıkların sıvılar ve gazlardaki daha hızlı çevirilerine neden olacaktır. Daha yüksek sıcaklıklarda, maddenin atomları veya molekülleri arasındaki kinetik enerjilerin dağılımı da daha düşük sıcaklıklardan daha fazla dağılır. Böylece, herhangi bir madde için entropi sıcaklık ile artar.

Bir maddenin entropisi, maddeyi oluşturan parçacıkların (atomlar veya moleküller) yapısından etkilenir. Atomik maddelerle ilgili olarak, daha ağır atomlar, belirli bir sıcaklıkta daha hafif atomlardan daha fazla entropiye sahiptir; bu, bir parçacığın kütlesi ile nicelenmiş translasyonel enerji seviyelerinin aralığı arasındaki ilişkinin bir sonucudur. Moleküller için, daha fazla sayıda atom, moleküllerin titreşebileceği yolların sayısını ve dolayısıyla olası mikro durumların sayısını ve sistemin entropisini arttırır.

Son olarak, parçacık türlerindeki varyasyonlar bir sistemin entropisini etkiler. Tüm parçacıkların aynı olduğu saf bir madde ile karşılaştırıldığında, iki veya daha fazla farklı parçacık tipinin bir karışımının entropisi daha büyüktür. Bunun nedeni, özdeş olmayan bileşenlerden oluşan bir sistemde mümkün olan ek yönelimler ve etkileşimlerden kaynaklanmaktadır. Örneğin, bir katı bir sıvı içinde çözündüğünde, katı parçacıklar daha fazla hareket özgürlüğü ve çözücü parçacıkları ile ek etkileşimler yaşarlar. Bu, daha düzgün bir madde ve enerji dağılımına ve daha fazla sayıda mikro durumlara karşılık gelir. Çözünme işlemi, bu nedenle, entropide bir artış içerir, ΔS > 0.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.2: Entropy.