Entropia. Co oznacza to pojęcie?

Entropia to pojęcie, które przydaje się we wszelkich rozważaniach dotyczących zmian w układach fizycznych oraz chemicznych. Według słownika PWN jest to jedna z funkcji stanu, która określa kierunek przebiegu zjawisk związanych z przemianami i przepływem energii. Termin ten jako pierwszy wprowadził naukowiec niemieckiego pochodzenia Rudolf Clausius.

Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu i rozproszenia energii. Jest wielkością ekstensywną, co oznacza, że chcąc obliczyć jej wartość trzeba podzielić układ na małe części, a następnie zsumować ich entropie, analogicznie jak objętość, masa etc.

Tłumacząc pojęcie entropii warto zapoznać się z II zasadą termodynamiki. Mówi ona, że jeśli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego bez udziału czynników zewnętrznych (czyli spontanicznie), to jego entropia zawsze będzie rosła.

Definicja entropii dla jednych może być prosta i zrozumiała, dla innych zaś trudna do pojęcia. Do drugiej grupy osób bardziej dotarłoby proste wyjaśnienie oparte na przykładach. Można zatem posłużyć się przykładami z życia codziennego do przyswojenia tego pojęcia.

Wyobraźcie sobie poukładane ubrania w szafie, czyli posegregowane i ułożone poszczególne części garderoby. Jest tam zachowany logiczny układ - koszulki w jednej części, skarpetki w drugiej, spodnie w kolejnej. W takim uporządkowanym układzie znalezienie czegokolwiek nie jest kłopotliwe czy czasochłonne - wystarczy zajrzeć do odpowiedniej przegródki, by trafić na to czego się szuka.

Jednak u kogoś innego ta sama szafa może mieć bałagan - niepoukładane według żadnego logicznego schematu rzeczy, wprowadzające nieporządek. W takim wypadku ciężko jest znaleźć za pierwszym razem to, czego się szuka. By trafić, należy sprawdzić kilka miejsc.

Przyjmując za miarę nieporządku jakąś wielkość, nazwijmy ją właśnie entropią, będziemy mogli powiedzieć, że wartość entropii układu nieuporządkowanego jest większa niż układu uporządkowanego. Jeśli zaś zależałoby nam na przejściu od stanu uporządkowanego do stanu nieuporządkowanego, to towarzyszyć będzie temu wzrost entropii.

Każda spontaniczna zmiana, niezależnie od tego czy będzie to reakcja chemiczna, czy zjawisko fizyczne, jest związana ze wzrostem entropii. Dobrym przykładem będzie również wyobrażenie sobie sytuacji, gdy mamy dwukomorowy pojemnik z gazem znajdującym się tylko w lewej komorze.

Jeśli otworzymy zamkniętą przegrodę to cząsteczki gazu wymieszają się ze sobą w całym pojemniku (w obu komorach). Proces ten wydarzył się spontanicznie, a jego wynikiem jest wzrost entropii.

Czy jest możliwość, aby po upływie jakiegoś czasu rozproszone cząsteczki gazu same wróciły z powrotem do lewej komory? Odpowiedź jest negatywna. A dlaczego? Ponieważ nie będzie to zgodne z II zasadą termodynamiki.