Entropia ja entalpia ovat termodynaamisen järjestelmän kaksi tärkeää ominaisuutta. Vaikka ne eroavat toisistaan, ne liittyvät toisiinsa. Tässä postauksessa vertaillaan näitä kahta ja kerrotaan myös niiden välisestä suhteesta esimerkkien avulla.
Entalpian ja entropian välinen suhde suljetussa systeemissä
T. ∆S = ∆H
Tässä T on absoluuttinen lämpötila, ∆H on entalpian muutos ja ∆S on entropian muutos. Tämän yhtälön mukaan systeemin entalpian lisääntyminen aiheuttaa sen entropian lisääntymisen.
Tahdotko kirjoittaa meille? No, etsimme hyviä kirjoittajia, jotka haluavat levittää sanaa. Ota yhteyttä niin jutellaan…
Tehdään töitä yhdessä!
Kemiassa termodynamiikalla tarkoitetaan alaa, joka käsittelee systeemin lämpöä ja energiaa sekä systeemin energiamuutosten tutkimista. Entalpia ja entropia ovat termodynaamisia ominaisuuksia.
Entalpia vs. entropia
Entalpia, jota merkitään symbolilla ’H’, tarkoittaa termodynaamisen systeemin kokonaislämpösisällön mittausta vakiopaineessa. Entalpia lasketaan muutoksena eli ∆H = ∆E + P∆V(jossa E on sisäenergia). Entalpian SI-yksikkö on joule (J).
Entropialla, jota merkitään symbolilla ”S”, tarkoitetaan termodynaamisen systeemin epäjärjestyksen tason mittausta. Se mitataan jouleina kelviniä kohti (J/K). Entropia lasketaan muutoksena, ts, ∆S = ∆Q/T (missä Q on lämpösisältö ja T on lämpötila).
Tarkastellaan näitä kahta termodynaamista ominaisuutta tarkemmin.
Mitä on entalpia?
Se voidaan määritellä termodynaamisen systeemin kokonaisenergiaksi, joka sisältää myös sisäisen energian. Lisäksi homogeeniselle systeemille se on systeemin sisäisen energian E ja systeemin paineen (P) ja tilavuuden (V) tulon summa.
H = E + PV, jossa PV tarkoittaa systeemiin tehtyä tai sen tekemää mekaanista työtä.
Entalpia ei ole suoraan mitattavissa. Näin ollen tarkastellaan entalpian muutosta, joka voidaan mitata. Se saadaan,
∆H = ∆E + P∆V
Kirjoitatko meille? No, me etsimme hyviä kirjoittajia, jotka haluavat levittää sanaa. Ota yhteyttä niin jutellaan…
Tehdään töitä yhdessä!
Entalpiamuutos on siis sisäenergian muutoksen ja tehdyn työn summa.
Entalpia on tilafunktio ja se on riippuvainen alku- ja lopputilan eli reaktanttien ja tuotteiden välisistä muutoksista kemiallisen reaktion tapauksessa. Näin ollen entalpian muutos on tärkeä.
Kemiallisia reaktioita on kahdenlaisia; nimittäin eksotermisiä ja endotermisiä.
Eksotermiset reaktiot ovat reaktioita, joissa vapautuu lämpöä. Tällöin energiaa luovutetaan ympäristöön. Reaktion tapahtumiseen tarvittava energia on pienempi kuin vapautuva kokonaisenergia. Lisäksi tuotteiden entalpia on pienempi kuin reagoivien entalpia. Näin ollen entalpian muutos eli ∆H on negatiivinen tai sillä on negatiivinen arvo.
Endotermiset reaktiot ovat reaktioita, joissa tapahtuu lämmön absorboitumista. Tällöin energiaa absorboituu ympäristöstä lämmön muodossa. Tällöin tuotteiden entalpia on suurempi kuin reagoivien entalpia. Näin ollen entalpian muutos eli ’∆H’ on positiivinen tai sillä on positiivinen arvo.
Reaktion entalpia voidaan siis laskea seuraavasti:
∆H = ∑ nHtuotteet -∑ mHreaktantit, missä n ja m ovat tuotteiden ja reaktanttien kertoimet.
Tämä tarkoittaa, että edellä mainitun yhtälön mukaan reaktion entalpia on tuotteiden entalpioiden summa vähennettynä reaktanttien entalpioiden summasta.
Mitä on entropia?
Rudolf Clausiuksen keksimä entropia on termodynaaminen ominaisuus, ja se voidaan määritellä mittana, jolla mitataan, kuinka monella erityisellä tavalla termodynaaminen systeemi voidaan järjestää. Siihen voidaan viitata kaaoksen tai epäjärjestyksen mittana suljetussa systeemissä. Sen sanotaan olevan lämpöä tai lämpöenergiaa, joka ei ole enää käytettävissä systeemin työn tekemiseen, joten se on ominaista hiukkasten satunnaisuudelle.
Termodynamiikan toisen lain mukaan eristetyn systeemin entropia kasvaa aina.
”∆S” eli entropian muutos esitettiin alun perin kaavalla,
∆S = ∫ dQrev/T, missä T on absoluuttinen lämpötila ja dQ on systeemiin siirtyvä lämpö.
Tämä yhtälö koskee termodynaamisesti palautuvaa prosessia. Lisäksi sitä voidaan kutsua myös entropian makroskooppiseksi määritelmäksi.
Myöhemmin entropiaa kuvasi Ludwig Boltzmann järjestelmän mikroskooppisten komponenttien tilastollisen käyttäytymisen perusteella. Tämän mukaan entropia on mitta atomien ja molekyylien mahdollisten mikroskooppisten konfiguraatioiden lukumäärälle (yksittäin) systeemin makroskooppisen tilan mukaisesti.
S = KB ln W missä,
S on ideaalikaasun entropia, KB on Boltzmannin vakio ja W on tiettyä makrotilaa vastaavien mikrotilojen lukumäärä.
Kiinteillä aineilla on matala entropia johtuen niiden säännönmukaisemman rakenteen vuoksi verrattuna nesteisiin. Nesteiden entropia on keskitasoa, koska ne ovat järjestäytyneempiä kuin kaasu mutta vähemmän järjestäytyneitä kuin kiinteät aineet. Kaasuilla tiedetään olevan suurin entropia, koska niissä on eniten epäjärjestystä.
Esimerkki
Kumpikin entalpia ja entropia voidaan selittää esimerkillä, kuten jään sulamisella. Tämä faasimuutosprosessi voidaan esittää seuraavasti:
H2O(s) –> H2O(l)
Tässä termodynaamisessa systeemissä jää absorboi lämpöä, jolloin ∆H on positiivinen. Nyt, koska kyseessä on faasimuutos eli kiinteä muuttuu nesteeksi, epäjärjestyksen taso systeemissä kasvaa, mikä tekee ∆S:stä positiivisen.
Katsottaessa edellä mainittua yhteysyhtälöä uudelleen, se korostaa sitä tosiasiaa, että nämä kaksi termodynaamista ominaisuutta ovat suoraan verrannollisia toisiinsa. On kuitenkin huomattava, että suljetun systeemin entropian muutos ei voi koskaan olla negatiivinen.