Entropia

L'entropia è un principio termodinamico fondamentale utilizzato per descrivere il trasferimento di calore in un sistema.

Il termine entropia è spesso considerato una misura del "disordine" di un sistema e la seconda legge della termodinamica afferma che se il sistema sta subendo un processo irreversibile, allora l'entropia del sistema aumenterà sempre.

Pensa al gas intrappolato in un contenitore con volume, pressione e temperatura noti. Le molecole di gas possono avere un numero enorme di possibili configurazioni. Se il contenitore viene aperto, le molecole di gas fuoriescono e il numero di configurazioni aumenta notevolmente, avvicinandosi sostanzialmente all'infinito. Quindi S, che denota entropia, è decisamente aumentato dopo l'apertura del contenitore. Così? S, o la variazione di entropia, è maggiore di zero.

Allo stesso modo, l'entropia aumenta anche quando l'acqua calda viene lasciata a temperatura ambiente e lasciata raffreddare. In questo video, illustreremo come misurare la variazione di entropia di un sistema durante tali esperimenti di raffreddamento.

Prima di imparare a fare l'esperimento e raccogliere i dati, impariamo alcune leggi ed equazioni che ci permettono di calcolare il tasso di variazione della temperatura e l'aumento dell'entropia durante gli esperimenti di raffreddamento.

La legge del raffreddamento di Newton afferma che la velocità di variazione della temperatura di un oggetto è proporzionale alla differenza tra la propria temperatura e la temperatura dell'ambiente circostante. Usando il calcolo, questa relazione può essere convertita in questa equazione, dove t minuscolo rappresenta il tempo, Ts denota la temperatura dell'ambiente circostante, T0 è la temperatura iniziale e k è una costante che dipende dalle caratteristiche dell'oggetto e dell'ambiente circostante.

Utilizzando questa equazione, è possibile calcolare la temperatura di un sistema di raffreddamento in qualsiasi momento se tutte le altre variabili sono note. Questa equazione mostra anche che la temperatura è una funzione esponenziale del tempo. Pertanto, quando un oggetto caldo, come un bicchiere di acqua calda, viene posto in un ambiente più fresco, la sua temperatura diminuirà a un ritmo esponenziale fino a raggiungere la temperatura dell'ambiente circostante.

Vediamo ora come calcolare la variazione di entropia, o ?S. Torniamo a quando l'acqua era calda.

Quando si parla di entropia, dobbiamo prima definire il sistema. Qui, il sistema è il bicchiere d'acqua più l'aria nella stanza. Quindi la variazione di entropia del sistema, o ? Stotal è la somma della variazione di entropia di questi singoli componenti. Matematicamente, la variazione di entropia è definita come il calore guadagnato o perso, indicato con Q, diviso per la temperatura.

In questo scenario, sappiamo che il calore lascia l'acqua, quindi ? S per l'acqua diminuisce. Al contrario, l'aria circostante guadagna calore. Pertanto? La aria aumenta. Dal secondo principio della termodinamica, sappiamo che la variazione di entropia del sistema totale deve essere positiva.

Vediamo ora come condurre un esperimento per testare queste previsioni teoriche della legge di raffreddamento di Newton e della seconda legge della termodinamica.

Per iniziare, riempi un becher grande con una quantità di acqua compresa tra 500 ml e un litro d'acqua. Metti il bicchiere su una piastra calda e scalda l'acqua fino a ebollizione. Una volta che l'acqua bolle, spegnere l'elemento riscaldante.

Quindi, rimuovi con cautela il bicchiere dalla piastra calda e posizionalo sul tavolo sopra della carta assorbente. I tovaglioli di carta fungeranno da isolamento tra l'acqua e il tavolo fresco. Misurare la temperatura dell'acqua utilizzando il termometro.

Avvia il cronometro e registra la temperatura dell'acqua ogni minuto per i primi 20 minuti.

Per i successivi 20 minuti, registrare la temperatura ogni 5 minuti.

Interrompere le misurazioni quando l'acqua si è avvicinata alla temperatura ambiente. Quindi, traccia i punti dati in un grafico della temperatura dell'acqua rispetto al tempo.

Analizziamo ora i dati ottenuti. La temperatura iniziale dell'acqua era di 100 gradi, a 35 minuti la temperatura è scesa a 50,6 e la temperatura circostante era di 28,5 gradi. Inserisci questi valori nella legge di raffreddamento di Newton e risolvi per la costante di raffreddamento k.

Ora, utilizzando il valore calcolato per k, traccia l'equazione come una funzione continua. Se poniamo i nostri dati misurati su questo grafico, possiamo vedere che le funzioni teoriche e sperimentali seguono un percorso quasi identico.

Ora parliamo di entropia. Come sappiamo, la variazione totale di entropia, o delta S, è uguale alla variazione di entropia per l'acqua più la stanza.

La variazione di entropia è uguale a Q, o la quantità di calore trasferita dall'acqua calda all'aria, divisa per T, quindi la variazione di entropia può essere calcolata se Q è noto.

Q può essere calcolato utilizzando la relazione tra massa, m, calore specifico, c e la variazione di temperatura in Kelvin, delta T. Utilizzando i valori per l'acqua la quantità di calore rilasciata dall'acqua, Q può essere calcolato e utilizzato per risolvere il delta S.

Pertanto, i dati sperimentali mostrano che l'entropia del sistema totale è aumentata da quando il calore è stato trasferito dall'acqua alle molecole d'aria nella stanza. Questo convalida la seconda legge della termodinamica.

L'entropia e la seconda legge della termodinamica descrivono una vasta gamma di eventi in natura e nell'ingegneria.

Un frigorifero è essenzialmente una pompa di calore e rimuove il calore da un luogo a una temperatura più bassa, la fonte di calore, e lo trasferisce in un altro luogo, il dissipatore di calore, a una temperatura più alta.

Secondo la seconda legge, il calore non può fluire spontaneamente da un luogo più freddo a uno più caldo. Pertanto, il lavoro, o l'energia, è necessario per la refrigerazione.

Un falò è un altro esempio di cambiamenti di entropia nella vita reale. Il legno massiccio utilizzato come combustibile brucia e si trasforma in un disordinato cumulo di cenere. Inoltre, vengono rilasciate molecole d'acqua e anidride carbonica.

Gli atomi nei vapori si diffondono in una nube in espansione, con infinite disposizioni disordinate. Pertanto, la variazione di entropia derivante dalla combustione del legno è sempre positiva.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'entropia e alla seconda legge della termodinamica. Ora dovresti comprendere il concetto di base dell'entropia, la legge di Newton del raffreddamento ed esempi di cambiamenti di entropia nella vita di tutti i giorni. Grazie per l'attenzione!