Entropija

Ovo je glavno značenje pojma Entropija. Za druga značenja pogledajte Entropija (razdvojba).

Povratni (reverzibilni) adijabatski proces: od termodinamičkog stanja (temperatura, tlak i obujam) plina s lijeve strane može se postići termodinamičko stanje plina s desne strane, i obratno, bez izmjene toplinske energije s okolinom.

Carnotov ciklus kao toplinski stroj, prikazano na dijagramu temperatura – entropija. Ciklus se odvija između ogrjevnog spremnika temperature T_H i rashladnog spremnika temperature T_C. Na apscisi je entropija, a na ordinati temperatura.

Nepovratni adijabatski proces: od termodinamičkog stanja (temperatura, tlak i obujam) plina s lijeve gornje strane može se postići termodinamičko stanje plina s desne strane, ali obratno, zbog izmjene toplinske energije s okolinom, postiže se novo stanje s povećanom entropijom (s gubitcima energije).

Entropija (oznaka S) je pojam koji je uveo 1865. Rudolf Clausius, a predstavlja termodinamičku funkciju stanja sustava kojoj beskonačno mala (infinitezimalna) promjena dS između dva beskonačno bliska ravnotežna stanja termodinamičkog sustava iznosi:

$dS={\frac {dQ}{T}},$

gdje je: $dQ$ - toplina razmijenjena u povratnom (reverzibilnom) procesu kojim sustav prelazi iz jednog stanja u drugo, a $T$ - apsolutna temperatura.

Termodinamička veličina koja opisuje stupanj nereda zove se entropija i označava se slovom S. Entropija je, kao i entalpija, funkcija stanja, što znači da ovisi samo o konačnom i početnom stanju sustava, a može imati pozitivnu i negativnu vrijednost. Dio kemije koji se bavi proučavanjem toplinskih promjena u kemijskim reakcijama zove se kemijska termodinamika. Pored raznih značenja, entropija ima veliku ulogu u teoriji informacija (obavijesnoj teoriji). Entropijom i drugim zakonom termodinamike bavili su se i hrvatski znanstvenici: Josip Lončar, Fran Bošnjaković, Vladimir Matković koji je istraživao entropiju hrvatskoga jezika.

Objašnjenje

Na zatvorenom povratnom (reverzibilnom) putu (Carnotov kružni proces), kada se konačno i početno stanje poklope, promjena entropije iščezava, ΔS = 0. Prema drugom zakonu termodinamike, entropija sustava toplinski (termički) izoliranih od okoline veća je ili jednaka nuli: ΔS ≥ 0, pri čemu se znak jednakosti veže za povratne (reverzibilne) procese, a znak nejednakosti za nepovratne (ireverzibilne) procese u sustavu. Entropija zatvorenih sustava povećava se, jer takvi sustavi teže stanju najveće vjerojatnosti, odnosno stanju s najvećom entropijom. Temeljnu vezu između entropije S i vjerojatnosti P, Ludwig Boltzmann formulirao je kao relaciju:

$S=k\cdot \log P$

gdje je: k - Boltzmannova konstanta. Termodinamička vjerojatnost na visokim je temperaturama znatno veća od jedinice, pa je bitno različita od matematičke vjerojatnosti s područjem vrijednosti [0,1]. Iz drugog zakona termodinamike proizlazi da se neki makroskopski procesi odvijaju samo u smjeru porasta entropije, da imaju strijelu vremena i da im se nered i besciljnost povećavaju (disipativni sustavi). Budući da u stvarnosti ne pokazuju smanjenje entropije, u makroskopskim procesima nije moguć obrat vremena. Zbog toga je, kao filozofsku implikaciju entropije, Arthur Stanley Eddington uveo pojam strijele vremena, koji ima veliku ulogu u modernoj kozmologiji, fizici elementarnih čestica i biologiji.

Stvarni procesi u prirodi su uvijek nepovratni (ireverzibilni), to jest kod njih entropija uvijek raste. Entropija je specifična u odnosu na ostale fizikalne veličine po tome što možemo reći da entropija određuje smjer (ili strijelu) vremena u makroskopskom svijetu. Stvarni smjer vremena (uobičajeni smjer, vrijeme ide prema "naprijed") je onaj u kojem se entropija makroskopskih sistema povećava ili ostaje ista. Osobita je važnost pojma entropije u formulaciji i razumijevanju drugog zakona termodinamike.

Entropija nekih kemijskih tvari

Tvar	S°m/J mol-1 K-1
CaCO3(S)	92,9
CaO(S)	39,8
CO2(g)	213,6
N2(g)	191,6
H2(g)	130,7
NH3(g)	192,5