Entropía: definición, fórmula y más

Entropía, la medida de la energía térmica de un sistema por unidad de temperatura que no está disponible para realizar un trabajo útil. Dado que el trabajo se obtiene a partir del movimiento molecular ordenado, la cantidad de entropía también es una medida del desorden molecular, o aleatoriedad, de un sistema. El concepto de entropía proporciona una visión profunda de la dirección del cambio espontáneo de muchos fenómenos cotidianos. Su introducción por el físico alemán Rudolf Clausius en 1850 es un punto culminante de la física del siglo XIX.

En mecánica estadística, S ° es una propiedad extensa de un sistema termodinámico. Está estrictamente relacionado con el número Ω de composiciones imperceptibles (conocidas como microestados) que se mantienen estables con las capacidades macroscópicas que caracterizan el sistema (como su volumen, presión y temperatura). S ° expresa el número Ω de diferentes composiciones que podría asumir un sistema delineado por variables macroscópicas. Suponiendo que cada microestado es igualmente probable, la entropía S es el logaritmo natural del número de microestados, multiplicado por la constante de Boltzmann kB.

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Ecuación / fórmula de entropía
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Ecuación / fórmula de entropía

La entropía es una función termodinámica que se utiliza para medir la aleatoriedad o el desorden de un sistema. Por ejemplo, la S ° de un sólido, donde las partículas no pueden moverse libremente, es menor que la S ° de un gas, donde las partículas llenarán el recipiente. Los científicos han concluido que para que un proceso sea espontáneo, la S ° de ese proceso debe aumentar. Esto incluye el S ° del sistema y el S ° del entorno.

Entropía

La entropía se puede calcular usando muchas ecuaciones diferentes:

Si el proceso está a una temperatura constante, entonces, donde ΔS es el cambio en la entropía
Fórmula de la ecuación de entropía
, qrev es el reverso del calor y T es la temperatura Kelvin.
Si se conoce la reacción, entonces ΔSrxn se puede calcular usando una tabla de valores de entropía estándar.
Cambio de entropía total
La energía libre de Gibbs (ΔG) y la entalpía (ΔH) también se pueden utilizar para calcular ΔS.

Energía libre de Gibbs

Definición de entropía

Hay dos definiciones equivalentes de entropía: la definición termodinámica y la definición de mecánica estadística. Históricamente, la definición de termodinámica clásica se desarrolló primero. En el punto de vista de la termodinámica clásica, no se consideran los detalles microscópicos de un sistema. En cambio, el comportamiento de un sistema se describe en términos de un conjunto de variables termodinámicas definidas empíricamente, como temperatura, presión, entropía y capacidad calorífica. La descripción de la termodinámica clásica asume un estado de equilibrio, aunque se han hecho intentos más recientes para desarrollar definiciones útiles de entropía también en sistemas que no están en equilibrio.

La definición estadística de S ° y otras propiedades termodinámicas se desarrollaron más tarde. En este punto de vista, las propiedades termodinámicas se definen en términos de las estadísticas de los movimientos de los componentes microscópicos de un sistema modelado al principio de manera clásica, por ejemplo, partículas newtonianas que constituyen un gas, y luego de forma cuántica-mecánica.

Ecuación de entropía molar

La entropía molar estándar generalmente recibe el símbolo S ° y tiene unidades de julios por mol kelvin (J mol − 1 K − 1). A diferencia de las entalpías de formación estándar, el valor de S ° es absoluto. Es decir, un elemento en su estado estándar tiene un valor definido distinto de cero de S a temperatura ambiente. La S ° de una estructura cristalina pura puede ser 0 J mol − 1 K − 1 solo a 0 K, de acuerdo con la tercera ley de la termodinámica. Sin embargo, esto presupone que el material forma un ‘cristal perfecto’ sin ningún congelado en S ° (defectos, dislocaciones), lo que nunca es completamente cierto porque los cristales siempre crecen a una temperatura finita. Sin embargo, esta entropía residual suele ser bastante insignificante.

Si un mol de sustancia estuviera a 0 K, luego calentado por su entorno a 298 K, su entropía molar total sería la suma de todas las N contribuciones individuales:

${ Displaystyle S ^ { circ} = sum _ {k = 1} ^ {N} Delta S_ {k} = sum _ {k = 1} ^ {N} int { frac {dq_ {k }} {T}} , dT} S ^ circ = sum_ {k = 1} ^ N Delta S_k = sum_ {k = 1} ^ N int frac {dq_k} {T} , dT$

Aquí, dqk / T representa un intercambio muy pequeño de energía térmica a la temperatura T. La entropía molar total es la suma de muchos pequeños cambios en la entropía molar, donde cada pequeño cambio puede considerarse un proceso reversible.

¿Cuál es el concepto de S °?

S °, la medida de la energía térmica de un sistema por unidad de temperatura que no está disponible para realizar un trabajo útil. Debido a que el trabajo se obtiene a partir del movimiento molecular ordenado, la cantidad de S ° también es una medida del trastorno molecular, o aleatoriedad, de un sistema.

¿Qué es S ° con el ejemplo?

S ° es una medida de la dispersión de energía en el sistema. Vemos evidencia de que el universo tiende hacia los lugares más altos en muchos lugares de nuestras vidas. Una fogata es un ejemplo de S. La madera maciza se quema y se convierte en ceniza, humo y gases, todos los cuales esparcen energía hacia afuera con mayor facilidad que el combustible sólido.

¿Cuál es la unidad de entropía?

La unidad de Si para S ° es julios por Kelvin (J / K). Un valor más positivo de S significa que es más probable que ocurra una reacción espontáneamente.

¿Qué establece la segunda ley de la termodinámica?

La segunda ley de la termodinámica establece que el estado de S ° de todo el universo, como sistema aislado, siempre aumentará con el tiempo. La segunda ley también establece que los cambios en la S ° en el universo nunca pueden ser negativos.

¿Cuál es el símbolo del cambio de entropía?

Por lo general, se denota con el símbolo S. Esto se atribuye al trabajo de Clausius en 1865 cuando dio una pérdida de calor irreversible que antes había llamado un nombre de “valor de equivalencia”.