Entropi

19 Ekim 2016 07:37

Entropi kimya dersinde sık karşımıza çıkan bir kavramdır. Ancak kimya dersinin diğer kavramları kadar iyi anlaşılmamıştır. Entropi çoğu zaman enerji ile karıştırılmaktadır. Bu iki kavram birbiriyle ilgili olmasına rağmen farklıdırlar. Enerji bir sistemin iş yapabilme kapasitesini ölçerken, entropi düzensizliğin ölçüsüdür. Entropi Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır.

entropi

Entropi Nedir?

Entropiyi biz lisede kimya dersinde görüyoruz. Aslında kimya ile fizik birbiri içine girmiş iki doğa bilimidir. Üniversite fiziğinde termodinamikte entropi çok önemli bir kavramdır. Entropi bir sistemin düzensizliğinin ölçüsüdür. Sistemde iş yapamayan termal enerjiye entropi denir. Düzensizliği anlamak için bir sistemdeki bütün molekülleri incelememiz gerekir. Sistemdeki her bir taneciğin yoğunluğu, sıcaklığı, basıncı ve hacmini biliyor olduğumuz zaman teorik olarak bunların toplamı ve ortalaması ile sistemi elde etmemiz gerekir. Ancak pratikte bunun böyle olmadığı gözlemlenmektedir. İşte burada entropi devreye girmektedir.

Entropi S harfi ile gösterilmektedir. Entropi formülü ise S = k.Log(N) şeklindedir. Burada k, Boltzmann sabitidir. N ise ortaya çıkabilecek durum sayısıdır.

Biz dışarıdan sistemin bazı değerlerini ölçebiliyorken bu değerlerin hangi moleküllerden kaynaklandığını bilemiyoruz. Her molekül için o kadar fazla durum ihtimali vardır ki, bu ihtimaller arttıkça sistem hakkındaki bilgisizliğimiz de artar. Yani formüldeki N sayısı arttıkça logaritma büyüyeceğinden entropi de artar.

Doğadaki olayların hepsi entropiyi arttıracak yönde eğilim gösterir. Sistemlerde düzensizliğe eğilim vardır. Evrenin entropisi sürekli artmaktadır. Bu artışın sebebi doğada sürekli istemli tepkimelerin gerçekleşmesidir. Buzun erimesi, suyun buharlaşması gibi olaylar istemli olarak gerçekleşir ve entropi arttırır. Bu olaylar sistemdeki ve evrendeki düzensizliği arttırır.

Entropinin Özellikleri

Entropiyi kavramak için özelliklerine bir göz atalım.

  • Sıcaklık büyüdükçe entropi artar.
  • Evrenin entropisi sürekli artmaktadır.
  • İstemli tepkimelerde ısı açığa çıkması entropinin arttığını gösterir.
  • Tersinir tepkimelerde entropi değişmez.
  • İstemsiz tepkimelerde entropi azalır.
  • Hacmin artması entropiyi arttırır.

Entropinin özelliklerini bir örnekle açıklayalım. Büyük bir kutunun içerisine bir tane küçük misket koyduğumuzu düşünelim. Sonra kapağını kapattığımız bu kutuyu sallayalım. Misketin kutu içerisinde olduğunu biliyoruz ancak kutu büyük olduğu için misketin bulunabileceği yer sayısı çok fazladır. Düzensizlik ve entropi yüksektir. Formül üzerinden düşünecek olursak N sayısı yüksektir. Ancak misketi kibrit kutusuna koyarsak eğer olasılıklar küçülür. Bu da entropinin daha düşük olduğunu gösterir.

Madde gaz fazındayken katı ve sıvı hallerine göre daha düzensizdir. Çünkü moleküllerin bağımsızlıkları artmıştır. Moleküllerin bulunacağı yer olasılıkları da artmıştır. Aynı şekilde evrenin genişlemesi de entropisinin artması demektir.

Evrendeki Entropi Değişimi

Tabiatta meydana gelen her olayda birçok reaksiyon gerçekleşir. Bu reaksiyonlar tabiat ile ısı alışverişi içerisindedir. Bu nedenle hem sistemin entropisi, hem ortamın entropisi hem de evrenin entropisi değişecektir.

ΔStoplam = ΔSsistem + ΔSortam şeklinde bir ifadeyle gösterebiliriz.

Yukarıda istemli olayların evrendeki entropiyi arttırdığını söyledik. Bunu formül üzerinden şöyle düşünebiliriz. ΔStoplam > 0 ise, yani artmış ise bu olay istemlidir. Sistem ve ortamda değişen S değeri sonuç olarak artmış ve düzensizleşmiştir demektir.

Bir kimyasal tepkimenin özelinde olaya bakarsak sistem için; ΔS°sistem = ∑nS°ürünler – ∑nS°girenler ifadesini yazabiliriz. Tepkimede ortama ısı verileceğinden ya da ortamdan ısı alınacağından entalpi değişimi olur. Ortamdaki ısı değişimi de ortamın entropisine etki eder. Sabit basınç ve sıcaklıkta ΔSortam = -ΔH/T şeklinde yazılabilir. Entalpiyi anlamak için kimyasal tepkimelerde enerji konusunu bilmek gerekir.

Entropi Örnekleri

Yukarıda entropi nedir kısaca açıklamaya çalıştık. Ancak yine de bu konuyu kavramak her zaman çok kolay olmuyor. Anlatılanlar biraz soyut gelebiliyor. Bu nedenle entropi hakkında örnekler vererek bu durumu kavramayı kolaylaştırabiliriz.

Sıvı buharının sıcaklığı yüksek olduğu için kinetik enerjisi de yüksektir. Ancak bu enerjiyi kullanamayız. Çünkü buhar gaz fazında olduğu için oldukça düzensizdir. Buharın kinetik enerjisini kullanmak için buhar makinelerinde buharın sıkıştırıldığı basınç bölümleri bulunur. Basınç ile hedeflenen gazın düzensizliğini alıp ona belirli bir doğrultu vermektir.

Sistem ne kadar düzensiz ise onun enerjisini hareket enerjisine çevirmek de o kadar zordur.

Günlük hayatımızda da entropi arttıran örnekler bulabiliriz. Buzun erimesi, tuzun ya da şekerin yemeklerde çözünmesi, mısırın patlaması, tavaya kırılan yumurtanın dağılması gibi örnekler düzensizliği anlamamıza yardımcı olabilir.


Etiketler:
  • kimya    
  • Yorumlar
    Yorum Yap