Delta Entropy

熱力學熵概述

熱力學熵係一個喺物理學同化學中非常重要嘅概念，佢量度緊一個系統嘅無序程度或者隨機性。簡單嚟講，熵越高，系統就越混亂；熵越低，系統就越有序。呢個概念係熱力學第二定律嘅核心，呢個定律話：一個孤立系統嘅總熵會隨時間不斷增加，除非係可逆過程[1][2]。

歷史發展

熵嘅概念係由魯道夫·克勞修斯 (Rudolf Clausius) 喺1865年提出嘅。佢最初將佢描述為「轉換含量」(transformation-content)，之後先至用希臘文「轉換」(transformation) 嚟創造「熵」(entropy) 呢個詞[1]。熵嘅發展受到卡諾循環 (Carnot cycle) 嘅影響，卡諾循環係一個熱力學循環，有助於理解熱傳遞同溫度差異[1]。

相關定律同定理

熵嘅概念同多個重要嘅熱力學定律密切相關：

• 熱力學第二定律：一個孤立系統嘅總熵會隨時間不斷增加，除非係可逆過程[1][2]。呢個定律解釋咗點解好多過程係不可逆嘅，例如熱量會由高溫物體傳到低溫物體，而唔會自然地反轉。
• 熱力學第三定律：當溫度接近絕對零度時，完美晶體嘅熵接近零[1][3]。呢個定律提供咗一個熵嘅參考點，方便我哋計算熵嘅變化。

熱力學熵喺唔同系統中嘅應用

主要概念

熵可以由宏觀同微觀兩個角度去理解：

• 宏觀角度：熵可以用宏觀可測量嘅物理性質（例如：質量、體積、壓力、溫度）嚟定義[1]。例如，喺一個氣體膨脹嘅過程當中，熵會增加，因為氣體分子佔據嘅空間更大，無序程度更高。
• 微觀角度：熵亦可以用系統微觀組成部分運動嘅統計數據嚟描述，可以用經典力學或者量子力學嚟建模[1][3]。例如，可以通過計算系統中不同微觀狀態嘅數目嚟估計熵嘅值。

熵變同熱傳遞

主要方程式

熵嘅變化 (ΔS) 可以用以下方程式計算：

ΔS = ΔQ / T

當中 ΔQ 係系統同周圍環境交換嘅熱量，而 T 係以開爾文 (Kelvin) 為單位嘅絕對溫度[2][4]。呢個方程式只適用於可逆過程。對於不可逆過程，熵變嘅計算會更加複雜，但係喺同一個起始狀態同終止狀態之間，不可逆過程同可逆過程嘅熵變係一樣嘅[1]。

唔同物質狀態下嘅熵

相變

熵喺唔同物質狀態下嘅值係唔同嘅：

• 氣體 vs 液體 vs 固體：氣體嘅熵高於液體，液體嘅熵高於固體。呢個係因為氣體分子擁有更多嘅可能微觀狀態同動能[2][3]。
• 熔化、蒸發同昇華嘅正熵變：呢啲過程會增加可能嘅微觀狀態數量，導致熵嘅正變化[3]。例如，冰融化成水，水蒸發成水蒸氣，呢啲過程都會導致熵嘅增加。

使用熵嘅優缺點

優點

• 過程嘅自發性：正嘅 ΔS 表示一個過程係自發嘅，會自然發生[2]。例如，熱量由高溫物體傳到低溫物體係一個自發過程，因為呢個過程會增加系統嘅總熵。
• 同無序嘅相關性：雖然熵唔直接等於無序，但係佢同無序相關。熵越高嘅系統有更多可能嘅微觀狀態，因此無序程度越高[3]。

缺點

• 不可逆性：熱力學第二定律暗示咗某些過程係不可逆嘅，即係話佢哋唔能夠自發地反轉方向[1][2]。呢個係一個重要嘅限制，因為好多實際應用都涉及不可逆過程。

總結

熱力學熵係量度系統無序程度或者隨機性嘅指標，係熱力學第二定律嘅核心。佢可以用熱傳遞同溫度嚟定義，並且喺可逆同不可逆過程中有特定嘅方程式。熵喺相變期間會發生變化，喺氣體中嘅熵高於液體或固體。

常見問題解答

問：ΔS 同 ΔG 有咩分別？

答：ΔS 代表熵嘅變化，而 ΔG 代表吉布斯自由能嘅變化。ΔG 包括溫度對自發性嘅影響，並同可以從系統中提取作有用功嘅總能量相關[2]。

問：熵同無序有咩關係？

答：熵同無序相關，但唔直接等於無序。熵越高嘅系統有更多可能嘅微觀狀態，因此無序程度越高[3]。

參考資料

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Entropy

[2] https://study.com/learn/lesson/enthalapy-entropy-delta-h-s.html

[3] https://www.chadsprep.com/chads-general-chemistry-videos/entropy-delta-s/

[4] https://www.grc.nasa.gov/www/BGH/entropy.html