Termodynaaminen entropia
Termodynaaminen entropia on mitta, jolla mitataan, kuinka järjestäytynyttä tai järjestäytymätöntä energiaa on atomien tai molekyylien muodostamassa järjestelmässä. Se mitataan jouleina energiaa kelviniä kohti. Entropia on tärkeä osa termodynamiikan kolmatta lakia.
Kuvittele, että molekyyliryhmällä on kymmenen energiayksikköä. Jos molekyylien energia on täydellisesti järjestetty, molekyylit voivat tehdä kymmenen yksikköä työtä. Jos energia kuitenkin järjestäytyisi huonommin (eli entropia kasvaisi), molekyylit voisivat tehdä vain kuusi työyksikköä, vaikka niissä olisi edelleen kymmenen energiayksikköä.
Kun kokonaisentropia on saavutettu, energiaa ei ole enää käytettävissä. Hyvä esimerkki tästä on kupillinen kuumaa teetä. Teellä on paljon energiaa verrattuna huoneeseen, jossa tee on. Ajan myötä teen lämpö leviää huoneeseen. Teestä tulee kylmempää. Tämä johtuu siitä, että teen sisältämä energia (lämpö) siirtyy ympäröivään alueeseen. Kun teestä on tullut kylmää, lämpöä ei voi enää levitä. Tee on saavuttanut täydellisen entropian.
Näitä "huoneita" on kahdenlaisia: Avoin järjestelmä ja suljettu järjestelmä. Avoin järjestelmä tarkoittaa, että energia (kuten lämpö) voi vapaasti virrata huoneeseen ja sieltä ulos. Suljettu järjestelmä tarkoittaa, että huone on suljettu ulkopuolelta; energiaa ei voi mennä sisään tai ulos.
Teetä käytettäessä huone oli suljettu järjestelmä; sinne ei päässyt energiaa. Voimme kuitenkin tehdä siitä myös avoimen järjestelmän asettamalla huoneeseen lämmittimen. Jos laitamme lämmittimen päälle, voimme käyttää sen lämpöä teekupin lämmittämiseen. Huoneeseen on tuotu uutta energiaa. Entropia on siten pienentynyt. Lämmittimestä teehen mennyt lämpö voi sitten taas siirtyä huoneeseen, kunnes kokonaisentropia on saavutettu. Tästä termodynamiikan toisessa laissa on kyse.
Todellinen esimerkki avoimesta järjestelmästä on maapallo. Se saa päivittäin paljon energiaa auringosta. Tämä mahdollistaa kasvien kasvun ja veden pysymisen nestemäisenä. Jos ottaisimme auringon pois, kasvit kuolisivat ja vesi jäätyisi, koska planeettamme pinta olisi liian kylmä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on termodynaaminen entropia?
V: Termodynaaminen entropia on mitta, jolla mitataan, kuinka järjestäytynyttä tai järjestäytymätöntä energiaa on atomien tai molekyylien muodostamassa järjestelmässä. Se mitataan jouleina energiaa kelviniä kohti.
K: Mitä termodynamiikan kolmannessa laissa sanotaan?
V: Termodynamiikan kolmannen lain mukaan kun kokonaisentropia on saavutettu, energiaa ei ole enää käytettävissä.
Kysymys: Mitkä ovat tekstissä mainitut kahdenlaiset "huoneet"?
V: Tekstissä mainitut kahdenlaiset "huoneet" ovat avoin järjestelmä ja suljettu järjestelmä. Avoin systeemi tarkoittaa, että energia (kuten lämpö) voi virrata vapaasti sisään ja ulos, kun taas suljettu systeemi tarkoittaa, että systeemi on suljettu ulkopuolelta; energiaa ei voi mennä sisään tai ulos.
Kysymys: Miten uusi energia vaikuttaa kokonaisentropiaan?
V: Uusi energia pienentää kokonaisentropiaa, koska se mahdollistaa paremman organisoitumisen järjestelmässä. Jos esimerkiksi asetamme lämmittimen huoneeseen, jossa on kylmää teetä, voimme käyttää sen lämpöä lämmittämään teekupin uudelleen. Tämä tuo huoneeseen uutta energiaa, mikä vähentää sen kokonaisentropiaa.
K: Voitko antaa esimerkin avoimesta järjestelmästä?
V: Todellinen esimerkki avoimesta järjestelmästä on maapallo, sillä se saa joka päivä auringosta paljon energiaa, jonka ansiosta kasvit voivat kasvaa ja vesi pysyä nestemäisenä.
K: Miten kokonaisentropian saavuttaminen vaikuttaa kupilliseen kuumaa teetä?
V: Kun kuuman teekupin kokonaisentropia on saavutettu, lämpöä ei voi enää levitä, joten teekupista tulee kylmä, kun kaikki lämpö siirtyy ympäröivään alueeseen.
