Entropi

Entropi er et udtryk for den samlede uorden eller tilfældighed i et system.

For alternative betydninger, se Entropi (flertydig). (Se også artikler, som begynder med Entropi)

Spontan forøgelse af uorden - En irreversibel proces, hvis ikke der tilføres energi.

Entropien blev oprindelig indført som et beskrivende begreb inden for termodynamikken i fysik og kemi. Det gør det muligt at formulere termodynamikkens 2. lov meget enkelt. Senere blev entropi indført alene ved analogi i informationsteorien af Claude Shannon. Det er dog lykkedes at opstille en velafprøvet, fysisk teori, som forener teoretisk termodynamik og statistisk mekanik med informationsteorien på direkte og kvantificerbar måde

Et system med entropi = 0 er perfekt ordnet. Et fysisk system, som kommer tæt på dette, er Bose-Einstein kondensatet, hvor alle partikler befinder sig i samme tilstand. Et informationsteknisk system med entropi = 0 kunne også være en computer, som kun indeholder 0’er, eller det kunne være en biotop, som er i perfekt homøostase. Så snart et system forlader denne tilstand af ”total velkendthed”, stiger entropien til en størrelse, som er over 0. Den kan dog ikke overstige et maksimum, der bestemmes af f.eks. harddiskens lagerkapacitet, antallet af partikler i det fysiske system eller biodiversiteten i det økologiske system. Almindeligvis kalder man denne maksimale entropistørrelse for ”perfekt uorden”. Fysikerne taler også om termisk ligevægt.

Maxwells dæmon er et logisk eksperiment, der drejer sig om termodynamikkens 2. lov. Det forbinder entropi med både energi og information.

Definition

For en reversibel varmeudveksling ${\displaystyle \delta Q_{\text{rev}}}$ er vejintegralet af den inverse temperatur for en lukket proces generelt 0 jf. Clausius' sætning:^[1]

${\displaystyle \oint {\frac {\delta Q_{\text{rev}}}{T}}=0}$

Da det lukkede vejintegrale er 0, er ${\displaystyle {\frac {\delta Q_{\text{rev}}}{T}}}$ vejuafhængig, hvilket vil sige, at det er differentialet af en tilstandsfunktion. Denne tilstandsfunktion defineres som entropien:

${\displaystyle dS\equiv {\frac {\delta Q_{\text{rev}}}{T}}}$

En reversibel, adiabatisk proces - dvs. en proces uden varmeudveksling - er således også en isentropisk proces - dvs. at den har konstant entropi.^[2]

Forskellig brug af begrebet

Selv i videnskabelige lærebøger bruges begrebet entropi forskelligt, og det kan ofte give anledning til misforståelser, men de følgende definitioner kan vise de mange sider af den kultur, der omgiver begrebet entropi.

Entropi er:

• Energi, som er nedbrudt til uoprettelig varme.^[3]
• Boltzmanns konstant ganget med logaritmen for en flerhed, hvor flerheden i en makrotilstand er det antal af mikrotilstande, der svarer til makrotilstanden - Boltzmanns entropiformel.^[4]
• Antallet af måder, ting i et system kan være ordnet på (ganget med Boltzmanns konstant).^[5]
• En ikke-stabil termodynamisk tilstandsfunktion, målt i antallet af mikrotilstande, som et system kan optræde i, hvilket svarer til nedbrydningen af brugbar energi.^[6]
• Et direkte mål for tilfældigheden i et system.^[7]
• Et mål for energispredningen ved en bestemt temperatur.^[8]
• Et mål for et systems delvise tab af evne til at udføre arbejde på grund af virkningen af irreversibilitet.^[9]
• Et indeks for et systems tendens til spontan ændring.^[10]
• Et mål for, hvor lidt af et systems energi, der kan fås til at udføre arbejde; også et mål for uorden; jo større entropi, jo større uorden.^[11]
• Et parameter, der står for graden af uorden i et system på atomart, ionmæssigt eller molekylært plan.^[12]
• Et mål for uorden i universet eller for, hvor meget af et systems energi, der kan fås til at udføre arbejde.^[13]

Noter

1. Blundell, Stephen J.; Blundell, Katherine M. (2006). "13.7 Clausius' theorem". Concepts in Thermal Physics (engelsk) (1. udgave). Oxford University Press. s. 132. ISBN 978-0-19-856770-7.
2. Blundell, Stephen J.; Blundell, Katherine M. (2006). "14.1 Definition of entropy". Concepts in Thermal Physics (engelsk) (1. udgave). Oxford University Press. s. 136. ISBN 978-0-19-856770-7.
3. Joel de Rosnay: The Macroscope – a New World View (skrevet af en M.I.T.-uddannet biokemiker), 1979 ISBN 0-06-011029-5
4. Ralph Baierlein: Thermal Physics, 2003 ISBN 0-521-65838-1
5. Daniel R. Schroeder: Thermal Physics, 2000 ISBN 0-201-38027-7
6. McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Chemistry, 2004 ISBN 978-0-07-143953-4
7. Raymond Chang: Chemistry, 6. udg., 1998 ISBN 0-07-115221-0
8. Peter Atkins og Julio De Paula: Physical Chemistry, 8. udg., 2006 ISBN 0-19-870072-5
9. John D. Cutnell og Kenneth J. Johnson: Physics, 4. udg., 1998 ISBN 0-471-19113-2
10. Donald T. Haynie: Biological Thermodynamics, 2001 ISBN 0-521-79165-0
11. Oxford Dictionary of Science, 2005 ISBN 978-0-19-280098-5
12. John O.E. Clark (udg.): The Essential Dictionary of Science, 2004 ISBN 978-0-7607-4616-5
13. Johm Gribbin: Q Is for Quantum: An Encyclopedia of Particle Physics, 1999 ISBN 978-0-684-85578-3