Hvad er entropi? Termodynamisk entropi – definition og eksempler

Forstå termodynamisk entropi: definition, klare eksempler (kop varm te, Jorden), forskel på lukkede/åbne systemer og hvorfor entropi bestemmer energiens anvendelighed.

Termodynamisk entropi er et mål for, hvor organiseret eller uorganiseret energi der er til stede i et system af atomer eller molekyler. Entropi er en tilstandsvariabel i termodynamikken og måles i joule pr. kelvin-enhed (J/K). I simpel forstand beskriver entropi, hvor meget af energien i et system der er spredt ud og derfor ikke kan bruges til at udføre mekanisk arbejde. En formel måde at definere et lille entropitilæg ved varmeudveksling er dS = δQ_rev / T for reversible processer. Den statistiske tolkning følger Boltzmanns formel S = k_B ln W, hvor W er antallet af mikrostater der svarer til samme makrostilstand.

Hvad betyder det i praksis?

Forestil dig, at en gruppe molekyler har ti energienheder. Hvis energien er meget organiseret (lav entropi), kan en stor del af de ti enheder omsættes til arbejde. Hvis energien derimod er spredt ud (højere entropi), vil den samme samlede energimængde kun kunne udføre mindre arbejde. Det skyldes, at en stigende entropi reducerer den del af energien, som er fri til at omsættes til arbejde — man taler om fri energi (f.eks. Helmholtz-energien eller Gibbs-energien), hvor entropibidraget typisk optræder som et −T·S-led.

Eksempel: en kop varm te

Et godt og intuitivt eksempel er en kop varm te. Teen indeholder varme (energi) i forhold til det omkringliggende rum. Over tid vil varmen sprede sig fra teen til rummet, og teen bliver koldere, indtil temperaturerne er i ligevægt. Denne varmeudveksling er typisk irreversibel og medfører, at den samlede entropi i det samlede (isolerede) system stiger, indtil ligevægt opnås. Når systemet har nået termisk ligevægt, kan der ikke længere udtrækkes arbejde ved at udnytte temperaturforskellen — systemet har nået maksimal entropi for de givne betingelser.

Typer af systemer

Det er vigtigt at skelne mellem forskellige slags systemer:

• Åbent system: Kan udveksle både energi og stof med omgivelserne.
• Lukket system: Kan udveksle energi (f.eks. varme eller arbejde) med omgivelserne, men ikke stof.
• Isoleret system: Udveksler hverken energi eller stof med omgivelserne. For et isoleret system siger den anden termodynamiske lov, at den totale entropi aldrig mindskes.

Den oprindelige tekst brugte begrebet "lukket system" om et rum hvor ingen energi kunne komme ind — det svarer nærmere til et isoleret system. Hvis vi i stedet tænder et varmelegeme i rummet, bringer vi ny energi ind, og systemets entropi kan ændre sig som følge af varmetilførslen (se også anden termodynamiske lov).

Den anden og den tredje termodynamiske lov

Den anden termodynamiske lov siger i en almindelig formulering, at entropien i et isoleret system ikke aftager med tiden; i irreversible processer stiger den, og i ideelle reversible processer forbliver den konstant. Dette er også det, der giver os en entropi-«pil af tiden» — hvorfor processer har en foretrukken retning (f.eks. varme går fra varmt til koldt).

Entropi indgår også i termodynamikkens tredje lov, som i praksis siger, at entropien for en perfekt krystallinsk substans går mod et konstant (ofte sat til nul) når temperaturen går mod absolut nul (0 K). Det betyder, at ved 0 K er der kun én mikrostilstand for en perfekt krystal, og dermed minimal (ofte nul) entropi.

Statistisk fortolkning

Fra et statistisk perspektiv handler entropi om antal mulige mikrostater (mikroskopiske arrangementer) der kan give anledning til samme makrostilstand (f.eks. temperatur og tryk). Jo flere mikrostater (større W), desto større entropi. Det forklarer, hvorfor gasser og uordnede tilstande typisk har højere entropi end faste, regelmæssige krystaller.

Praktiske eksempler og konsekvenser

• Diffusion: Når en dråbe blæk spreder sig i vand, øges entropien, fordi molekylerne fordeler sig på flere mulige positioner.
• Smeltning og fordampning: Ved faseovergange til mere uordnede faser øges entropien (f.eks. is → vand → damp).
• Varmemotorer og køleskabe: Effekten af varme til arbejde er begrænset af entropi; ingen varme-maskine kan være 100 % effektiv, og køling kræver arbejde, hvilket samlet set øger entropien i omgivelserne.
• Jorden som system: Et virkeligt eksempel på et åbent system er Jorden. Den modtager energi fra solen, hvilket muliggør livet og at vand forbliver flydende her på overfladen. Liv og lokale fald i entropi (f.eks. biologisk organisering) opretholdes ved at sende mere entropi ud til omgivelserne — solen leverer lav-entropi stråling, og jorden udsender højere-entropi varmeudstråling til rummet.

Kort sagt kvantificerer entropi hvor meget energi der er blevet spredt eller gjort “ufrugtbar” i forhold til at udføre arbejde. Den sætter grundlæggende grænser for, hvad der er muligt i naturen — fra varmemaskiners effektivitet til hvorfor tidens retning opleves som fremad.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er termodynamisk entropi?

Sp: Hvad siger den tredje termodynamiske lov?

Spørgsmål: Hvad er de to typer "rum", der nævnes i teksten?

Spørgsmål: Hvordan påvirker ny energi den samlede entropi?

Spørgsmål: Kan du give et eksempel på et åbent system?

Spørgsmål: Hvordan påvirker den samlede entropi, der er nået, en kop varm te?

Søg efter bogstav