این مقایسه، تمایزات اساسی ترمودینامیکی بین آنتروپی، معیار بینظمی مولکولی و پراکندگی انرژی، و آنتالپی، کل محتوای گرمای یک سیستم را بررسی میکند. درک این مفاهیم برای پیشبینی خودبهخودی بودن واکنش شیمیایی و انتقال انرژی در فرآیندهای فیزیکی در رشتههای علمی و مهندسی ضروری است.
کمیتی ترمودینامیکی که میزان بینظمی یا تصادفی بودن درون یک سیستم را نشان میدهد.
کل گرمای یک سیستم ترمودینامیکی، شامل انرژی داخلی و کار فشار-حجم.
| ویژگی | آنتروپی | آنتالپی |
|---|---|---|
| تعریف اساسی | معیار تصادفی یا بینظمی سیستم | کل انرژی گرمایی درون یک سیستم |
| نماد استاندارد | س | ح |
| واحد اندازهگیری SI | J/K (ژول بر کلوین) | ژول (J) |
| تمرکز ترمودینامیکی | پراکندگی انرژی و احتمال | انتقال انرژی و جریان گرما |
| اثر افزایش گرما | همیشه با حرکت بیشتر ذرات، افزایش مییابد | با افزایش انرژی داخلی افزایش مییابد |
| شاخص خودانگیختگی | تغییر مثبت، خودجوش بودن را تقویت میکند | تغییر منفی (گرمازا) اغلب خودانگیختگی را ترجیح میدهد |
| محاسبه شده به عنوان | انتقال حرارت تقسیم بر دما | انرژی داخلی به علاوه فشار ضربدر حجم |
آنتروپی بر کیفیت و توزیع انرژی تمرکز دارد، به طور خاص اینکه به دلیل هرج و مرج مولکولی، چه مقدار انرژی دیگر برای انجام کار در دسترس نیست. در مقابل، آنتالپی کمیت انرژی را کمّی میکند، به طور خاص کل انرژی حرارتی که توسط یک ماده در شرایط فشار ثابت نگهداری میشود. در حالی که آنتروپی به چیدمان ذرات نگاه میکند، آنتالپی جریان گرما را در طول گذارها دنبال میکند.
آنتروپی محور قانون دوم است که بیان میکند آنتروپی کل یک سیستم ایزوله باید همیشه با گذشت زمان افزایش یابد. آنتالپی بیشتر با قانون اول یا پایستگی انرژی مرتبط است، زیرا به توضیح گرمای جذب شده یا آزاد شده در طول تغییرات شیمیایی و فیزیکی کمک میکند. این دو با هم انرژی آزاد گیبس را تعریف میکنند که تعیین میکند آیا یک فرآیند میتواند به طور طبیعی رخ دهد یا خیر.
در طول تغییر فاز مانند ذوب شدن یخ، هر دو مقدار به طور قابل توجهی افزایش مییابند. آنتالپی افزایش مییابد زیرا برای شکستن پیوندهای بین مولکولی (گرمای نهان) انرژی لازم است، در حالی که آنتروپی افزایش مییابد زیرا حالت مایع امکان حرکت و تصادفی بودن بسیار بیشتری را برای ذرات نسبت به حالت جامد فراهم میکند. در نتیجه، جامدات عموماً در مقایسه با مایعات و گازها، کمترین میزان هر دو خاصیت را دارند.
شیمیدانان از آنتالپی برای تعیین گرمازا بودن (آزاد شدن گرما) یا گرماگیر بودن (جذب گرما) یک واکنش با اندازهگیری تغییر در محتوای گرما استفاده میکنند. آنتروپی برای پیشبینی اینکه آیا یک واکنش به حالت بینظمتری منجر میشود یا خیر، مانند زمانی که یک جامد در مایع حل میشود یا از یک مایع گاز تولید میشود، مورد استفاده قرار میگیرد. مهندسان برای طراحی موتورهای حرارتی کارآمد و چرخههای تبرید به هر دو متکی هستند.
آنتروپی فقط کلمه دیگری برای «بهمریختگی» یا اتاق کثیف است.
اگرچه اغلب آنتروپی به عنوان بینظمی ساده میشود، اما به طور خاص یک معیار علمی از تعداد راههایی است که انرژی میتواند بین ذرات توزیع شود. یک اتاق نامرتب یک قیاس در مقیاس کلان است، اما آنتروپی واقعی به حالتهای میکرو اتمها و مولکولها اشاره دارد.
آنتالپی و کل انرژی داخلی یکسان هستند.
آنتالپی شامل انرژی داخلی است، اما انرژی مورد نیاز برای ایجاد فضا برای سیستم با جابجایی محیط اطراف آن (کار PV) را نیز در نظر میگیرد. در بسیاری از جامدات و مایعات، این تفاوت اندک است، اما برای گازها، قابل توجه است.
طبق فیزیک، کاهش آنتروپی غیرممکن است.
آنتروپی میتواند به صورت محلی در یک سیستم خاص کاهش یابد، مانند زمانی که آب به یخ تبدیل میشود. با این حال، این تنها در صورتی امکانپذیر است که آنتروپی محیط اطراف به میزان بیشتری افزایش یابد و تضمین کند که آنتروپی کل جهان همچنان افزایش مییابد.
هر واکنش گرمازا (آنتالپی منفی) به صورت خودبهخودی انجام میشود.
در حالی که اکثر واکنشهای گرمازا خودبهخودی هستند، برخی از واکنشهای گرماگیر اگر افزایش آنتروپی به اندازهای باشد که بر کمبود انرژی غلبه کند، به طور طبیعی رخ میدهند. خودبهخودی بودن با تعادل هر دو عامل از طریق انرژی آزاد گیبس تعیین میشود.
هنگام تحلیل تصادفی بودن، احتمال یا جهت زمان در تکامل یک سیستم، آنتروپی را انتخاب کنید. هنگام محاسبه نیازهای حرارتی، راندمان انرژی یا خروجی حرارتی یک واکنش شیمیایی در فشار ثابت، آنتالپی را انتخاب کنید.
در حالی که هر دو مفهوم تحت قوانین فیزیکی دقیق و غیرتصادفی عمل میکنند، سیستمهای قابل پیشبینی امکان پیشبینی دقیق بلندمدت را فراهم میکنند زیرا تغییرات جزئی نتایج متناسبی را به همراه دارند. در مقابل، آشوب قطعی یک پارادوکس قابل توجه را معرفی میکند که در آن قوانین اساسی کامل، غیرقابل پیشبینی بودن کامل بلندمدت را ایجاد میکنند، که ناشی از حساسیت شدید است که در آن حتی کوچکترین واریانس اولیه کل مسیر آینده را تغییر میدهد.
در حالی که آنتروپی زمان یک پیکان یکطرفه و برگشتناپذیر را تعریف میکند که توسط تخریب طبیعی انرژی و افزایش بینظمی دیکته میشود، سیستمهای زمانی منظم برای ایجاد چارچوبهای زمانی بسیار قابل پیشبینی و پایدار در ابعاد فیزیکی، به چرخههای تناوبی، تقارنهای ساختاری یا تغییرناپذیری معکوس زمان متکی هستند.
این مقایسه، تمایزات بین اپتیک و آکوستیک، دو شاخه اصلی فیزیک که به پدیدههای موج اختصاص دارند، را بررسی میکند. در حالی که اپتیک رفتار نور و تابش الکترومغناطیسی را بررسی میکند، آکوستیک بر ارتعاشات مکانیکی و امواج فشار در محیطهای فیزیکی مانند هوا، آب و جامدات تمرکز دارد.
این مقایسهی دقیق، تمایز بین اتمها، واحدهای بنیادی منحصر به فرد عناصر، و مولکولها، که ساختارهای پیچیدهای هستند که از طریق پیوند شیمیایی تشکیل شدهاند، را روشن میکند. این مقایسه تفاوتهای آنها را در پایداری، ترکیب و رفتار فیزیکی برجسته میکند و درک اساسی از ماده را برای دانشآموزان و علاقهمندان به علم فراهم میکند.
اثرات کشش سطحی توصیف میکنند که چگونه نیروهای مولکولی منسجم باعث میشوند سطح مایع مانند یک غشای الاستیک رفتار کند، در حالی که ترکیب مواد شامل فرآیندهای فیزیکی و ترمودینامیکی وادار کردن مواد مختلف به حالت یکنواخت است. بررسی چگونگی تعامل این مفاهیم نشان میدهد که چگونه نیروهای سطحی طبیعی میتوانند به طور فعال مانع یا به ایجاد مخلوطهای پایدار در محصولات مصرفی، پخت و پز و تولید صنعتی کمک کنند.
