エントロピー

エントロピーは、システム内の熱伝達を説明するために使用される基本的な熱力学原理です。

エントロピーという用語は、システムの「無秩序」の尺度と見なされることが多く、熱力学の第二法則では、システムが不可逆的なプロセスを経ている場合、システムのエントロピーは常に増加すると述べています。

既知の体積、圧力、温度の容器に閉じ込められたガスについて考えてみてください。気体分子は、膨大な数の構成を持つことができます。容器を開けると、ガス分子が逃げ出し、配置の数が劇的に増加し、実質的に無限に近づきます。したがって、エントロピーを示すSは、コンテナを開封した後に確実に増加しました。こうして。S、またはエントロピーの変化はゼロより大きいです。

同様に、お湯を室温で放置して冷ました場合もエントロピーが増加します。このビデオでは、このような冷却実験中にシステムのエントロピーの変化を測定する方法を示します。

実験を行い、データを収集する方法を学ぶ前に、冷却実験中の温度変化率とエントロピーの増加を計算することを可能にするいくつかの法則と方程式を学びましょう。

ニュートンの冷却の法則は、物体の温度変化速度は、物体自身の温度と周囲の温度との差に比例すると述べています。微積分学を使用すると、この関係は次の方程式に変換でき、小文字のtは時間、tsは周囲の温度、T0は初期温度、kはオブジェクトとその周囲の特性に依存する定数です。

この方程式を使用すると、他のすべての変数がわかっている場合は、いつでも冷却システムの温度を計算できます。この方程式は、温度が時間の指数関数であることも示しています。したがって、コップ一杯のお湯のような高温の物体を低温の環境に置くと、その温度は指数関数的に低下し、周囲の温度に達します。

それでは、エントロピーの変化、つまり ?S を計算する方法を見てみましょう。水が熱かったときまで巻き戻してみましょう。

エントロピーについて話すとき、最初にシステムを定義する必要があります。ここで、システムはコップ一杯の水と部屋の空気です。では、システムのエントロピーの変化、または?Stotal は、これらの個々のコンポーネントのエントロピーの変化の合計です。数学的には、エントロピーの変化は、Qで表される熱の獲得または損失として定義され、温度で割られます。

このシナリオでは、熱が水から出ることがわかっているため、?水のSが減ります。それどころか、周囲の空気は熱を得ます。そこで。Sairが増加します。熱力学の第二法則から、システム全体のエントロピーの変化は正でなければならないことがわかっています。

それでは、ニュートンの冷却の法則と熱力学の第二法則のこれらの理論的予測をテストするための実験を行う方法を見てみましょう。

まず、大きなビーカーに500mLから1Lの水を入れます。ビーカーをホットプレートに置き、水を沸騰するまで加熱します。水が沸騰したら、発熱体の電源を切ります。

次に、ビーカーをホットプレートから慎重に取り外し、ペーパータオルの上のテーブルに置きます。ペーパータオルは、水と冷たいテーブルの間の断熱材として機能します。温度計を使用して水の温度を測定します。

ストップウォッチをスタートさせ、最初の20分間は毎分水温を記録します。

次の20分間は、5分ごとに温度を記録します。

水が室温に近づいたら、測定を停止します。次に、水の温度と時間のグラフにデータポイントをプロットします。

それでは、得られたデータを分析していきましょう。水温は初期100度でしたが、35分後には50.6度まで下がり、周囲温度は28.5度でした。これらの値をニュートンの冷却の法則に代入し、冷却定数 k を解きます。

k の計算値を使用して、方程式を連続関数としてプロットします。このチャートに測定したデータポイントを配置すると、理論関数と実験関数がほぼ同じ経路をたどることがわかります。

次に、エントロピーについて話しましょう。ご存知のように、エントロピーの総変化、つまりデルタSは、水と部屋のエントロピー変化に等しくなります。

エントロピーの変化はQ、つまり温水から空気に伝達される熱量をTで割ったものに等しいため、Qがわかっている場合はエントロピーの変化を計算できます。

Qは、質量、m、比熱、c、およびケルビン、デルタTの温度変化との関係を使用して計算できます。水の値、つまり水から放出される熱量を使用して、Qを計算し、デルタSを解くために使用できます。

したがって、実験データは、熱が水から空気分子に伝達されて以来、システム全体のエントロピーが増加したことを示しています部屋で。これは、熱力学の第二法則を立証します。

エントロピーと熱力学の第二法則は、自然界と工学におけるさまざまな出来事を説明しています。

冷蔵庫は基本的にヒートポンプであり、ある場所の熱源である低温から熱を取り除き、高温の別の場所であるヒートシンクに熱を伝達します。

第2の法則によれば、熱は寒い場所から暑い場所に自発的に流れることはできません。したがって、冷蔵には仕事、つまりエネルギーが必要です。

キャンプファイヤーは、現実の生活におけるエントロピーの変化の別の例です。燃料として使われた無垢材は燃えて、無秩序な灰の山に変わります。さらに、水分子と二酸化炭素ガスが放出されます。

蒸気中の原子は、無限の無秩序な配置で膨張する雲の中に広がります。したがって、木材を燃やすことによるエントロピーの変化は常に正です。

JoVEのエントロピーと熱力学の第二法則の紹介を見ました。これで、エントロピーの基本概念、ニュートンの冷却の法則、および日常生活におけるエントロピーの変化の例を理解できるはずです。ご覧いただきありがとうございます!