V spletnem učbeniku bomo razložili, kaj so entropija, entalpija in termodinamika. Vsi ti pojmi se vam morda zdijo zelo zapleteni, a brez skrbi, tukaj smo zato, da na preprost način pojasnimo, kaj opisujejo zakoni termodinamike.
Pomislite na entropijo kot na način, s katerim znanost pojasnjuje, zakaj se določene stvari zgodijo tako, kot se zgodijo. Na primer, zakaj se led stopi v vodo ali zakaj je tvoja jutranja bela kava prečudovite karamelne barve, ne pa v ločenih ločenih plasteh mleka in kave.
Preberite vse o spremembah NPZ , ki so bile v Sloveniji sprejete novembra 2023.
Entropija in termodinamika–osnove hitro in preprosto
Se vam mudi? Ne skrbite. Pripravili smo glavne ugotovitve o tem, kaj je entropija in kaj so zakoni termodinamike:
🟠 Entropija: Entropija meri neurejenost ali naključnost sistema. Pojasnjuje, zakaj prihaja do kemijskih reakcij in kako se giblje energija v procesih, ki jih opazujemo vsak dan.
🟠 Zakoni termodinamike: Zakoni termodinamike, zlasti drugi zakon, nam povedo, da se entropija v vesolju nenehno povečuje. Termodinamika je osnova za preučevanje fizikalnih in kemijskih sprememb.
🟠 Gibbsova prosta energija: Standardna prosta energija združuje entropijo in entalpijo, da določi, ali se reakcija lahko zgodi spontano.
Če se vam zdi entropija zahtevna, ne skrbite! Zasebne inštrukcije ali individualne učne ure kemije lahko termodinamiko razložijo na preprost način. Prebrskajte tudi priročnike za kemijo in razširite svoje znanje z našimi brezplačnimi blogi—Svet kemije.
Kaj je entropija in zakaj je pomembna?
Entropija meri naključnost v sistemu. Toda zakaj je to pomembno? Entropija je bistvena, če želimo razumeti procese, zlasti v kemiji, kjer pomaga pojasniti, zakaj reakcije potekajo tako, kot potekajo.
Definicija entropije in enota za entropijo
Entropijo označujemo s simbolom S in je opredeljena kot mera neurejenosti v sistemu – več kot je možnih načinov ureditve sistema, ne da bi se spremenila njegova skupna energija, večja je njegova entropija. V mednarodnem sistemu enot (SI) se entropija meri v Joulih na Kelvin (J/K). Ta enota odraža vlogo entropije kot povezavo med energijo (Jouli) in temperaturo (Kelvini). Hkrati ponazarja, kako se energija porazdeli v sistemu pri določeni temperaturi.
Drugi zakon termodinamike in povečanje entropije
Drugi zakon termodinamike pravi, da se skupna entropija izoliranega sistema s časom nikoli ne more zmanjšati; lahko ostane nespremenjena ali se poveča. Ta zakon podpira smer naravnih procesov, saj zagotavlja, da se gibljejo v smeri večjega nereda ali entropije. Razloži, zakaj so nekatere kemijske reakcije spontane, kar vodi k ravnovesju, kjer je entropija največja. Ta zakon je temeljno načelo za razumevanje nepovratne narave večine naravnih procesov, od mešanja plinov do pretoka toplote iz vročih v hladne predmete.
Odnos med entropijo in temperaturo
Termodinamika temelji na povezavi med entropijo in temperaturo. V splošnem velja, da se z višanjem temperature sistema povečuje tudi njegova entropija. Entropija se poveča zaradi več energije, ki je na voljo pri višjih temperaturah in delcem v sistemu omogoča, da se prosto gibljejo in zasedajo več možnih stanj, kar povečuje nered. Ta povezava je očitna predvsem pri faznih spremembah (spremembe agregatnega stanja), kot sta taljenje ali vrenje, kjer pride do znatnega povečanja entropije.
Se vam termodinamika zdi zapletena? Zasebni učitelji kemije in inštruktorji nudijo individualne učne ure, prilagojene vašim potrebam, tako da anorganska in organska kemija postaneta razumljivi in prijetni.
Kako izračunamo spremembo entropije pri kemijskih reakcijah
Formula entropije in kako jo uporabiti
Če želimo izračunati spremembo entropije pri kemijskih reakcijah, uporabimo formulo:
ΔS = S produktov – S reaktantov
ΔS predstavlja spremembo entropije, S produktov je entropija produktov, S reaktantov pa je entropija reaktantov.
Z izračunom spremembe entropije lahko določimo, ali reakcija vodi v večji ali manjši nered. Na primer, ko se trdne snovi spremenijo v pline, se entropija poveča, ker so plini bolj neurejeni kot trdne snovi. Vrednosti entropije za določene snovi lahko najdete v učbenikih in priročnikih za kemijo.
Dejavniki, ki vplivajo na spremembo entropije pri reakcijah
Na spremembo entropije v termodinamiki vpliva več dejavnikov, med drugim temperatura, tlak, sprememba agregatnega stanja in zapletenost molekul:
- Temperatura: Zvišanje temperature običajno vodi k večji entropiji, ker se lahko delci prosto gibljejo in zasedajo več stanj.
- Tlak: Zmanjšanje tlaka poveča entropijo, zlasti v plinih, saj se lahko delci bolje porazdelijo.
- Fazni prehod (spremembe agregatnega stanja): Prehod iz trdne v tekočo snov ali plin poveča entropijo zaradi manj urejene narave naslednjega agregatnega stanja.
- Zgradba molekul: Kompleksnejše molekule imajo višjo entropijo, saj imajo več možnih načinov ureditve atomov.
Primer: Izračun entropije za različne vrste reakcij
- Taljenje ledu v vodo: Sprememba iz ledu H₂O(s) v vodo H₂O(l) predstavlja povečanje entropije (pozitivni ΔS).
- Zgorevanje metana: Zgorevanje metana (CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O) poveča entropijo sistema, kar prav tako kaže pozitivni ΔS.
Tabela: sprememba entropije pri različnih reakcijah
| Vrsta reakcije | Reakcija | Začetna entropija | Končna entropija | Sprememba entropije (ΔS) |
| Taljenje | H₂O(s) -> H₂O(l) | Nizka | Visoka | Pozitivna |
| Zgorevanje | CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O | Srednja | Visoka | Pozitivna |
| Sinteza | 2H₂ + O₂ → 2H₂O | Visoka | Nizka | Negativna |
| Razgradnja | 2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂ | Nizka | Visoka | Pozitivna |
Vas zanima kemija v vsakdanjem življenju? Lotite se preprostih poskusov ali se posvetujte z inštruktorjem kemije ter spoznajte znanstveno ozadje vsakdanjih pojavov.
Kako entropija vpliva na spontanost reakcij
Entropija izjemno vpliva na to, ali je reakcija spontana, in pomaga pri napovedovanju rezultatov. Ne pozabite se seznaniti z elektronsko konfiguracijo.
Gibbsova prosta energija in kako jo izračunamo
Gibbsova prosta energija povezuje entropijo in entalpijo ter napove spontanost reakcije. Gibbsova prosta energija se izračuna po naslednji formuli:
G = H – T*S
G je Gibbsova prosta energija, H je entalpija, T je temperatura v Kelvinih, S pa je entropija.
Negativen G pomeni spontano reakcijo, medtem ko pozitiven G pomeni nespontano reakcijo. Izračun proste energije morate poznati, če želite razumeti ravnovesje med sproščanjem ali absorpcijo energije in povečanjem nereda v reakciji.
Spontane in nespontane reakcije ter prosta energija
Spontanost reakcije je odvisna od spremembe entalpije (ΔH) in entropije (ΔS) ter temperature (T). Kako napovedujemo spontanost reakcije:
- Reakcija je verjetno spontana, če je ΔH negativen (sproščanje energije) in ΔS pozitiven (povečevanje nereda).
- Reakcija je nespontana, če je ΔH pozitiven (absorbira energijo) in ΔS negativen (zmanjšuje se nered).
- Temperatura določa spontanost, kadar imata ΔH in ΔS nasprotni učinek; visoke temperature so naklonjene reakcijam s pozitivnim ΔH in ΔS, nizke temperature pa reakcijam z negativnim ΔH in ΔS.
Tabela: vrsta reakcije in entalpija, entropija ter prosta energija
| Vrsta reakcije | ΔH | ΔS | ΔG | Spontanost/nespontanost |
| Eksotermna, naraščajoči nered | – | + | Negativna | Spontana pri vseh T |
| Endotermna, manj nereda | + | – | Pozitivna | Nespontana pri vseh T |
| Endotermna, naraščajoči nered | + | + | Negativna pri visoki T | Spontana pri visoki T |
| Eksotermna, manj nereda | – | – | Negativna pri nizki T | Spontana pri nizki T |
Preberite vse o PCR verižni reakciji s polimerazo.
Primeri spontanih in nespontanih reakcij ter sprememba entropije
Značilnost spontanih reakcij je povečanje entropije. Na primer, taljenje ledu v vodo se zgodi brez dodatne energije, kar kaže na povečanje neurejenosti, saj voda v trdnem stanju preide v bolj neurejeno tekoče stanje, s čimer se poveča entropija.
Po drugi strani pa je sinteza amonijaka iz dušika in plinastega vodika pri visokem tlaku in temperaturi nespontana reakcija. Če želimo, da poteče nespontana reakcija, moramo dovesti energijo, pri čemer se premika proti stanju z nižjo entropijo, saj se plini združujejo v bolj urejeno tekočino. Ti primeri ponazarjajo, kako lahko sprememba entropije napove, ali bo reakcija potekla spontano ali bomo morali dovesti energijo.
Recimo, da iščete učitelja kemije. V tem primeru lahko s preprostim iskanjem, kot je “inštruktor kemije Ljubljana” ali “učitelj kemije Celje” na platformah, kot je meet’n’learn, najdete najboljšega zasebnega učitelja.
Če imate rajši skupinsko učenje, lahko zlahka najdete tečaje kemije v bližini, če na spletu poiščete “tečaj kemije Kranj” ali “učne ure kemije Maribor”. Tako boste našli center za izobraževanje, ki ponuja skupinske inštrukcije kemije.
Priporočamo, da preberete tudi vse o beljakovinah, aminokislinah, peptidni vezi in encimih.
Zakoni termodinamike: kako sta povezani entropija in termodinamika
Entropija je temeljni pojem v termodinamiki in je tesno povezana z drugimi načeli, ki pojasnjujejo interakcije med energijo in snovjo. Entropija in termodinamika nam pomagata razumeti obnašanje sistema, od energije, ki jo ima, do tega, kako doseže stabilnost.
Razlika med entropijo in entalpijo
Entropija in entalpija sta temeljni količini termodinamike, vendar služita različnim namenom. Entropija (S) meri neurejenost ali naključnost sistema, pri čemer se osredotoča na porazdelitev energijskih stanj. Entalpija (H) pa meri skupno vsebnost toplote v sistemu in odraža energijo, ki je potrebna za nastanek sistema, in delo, ki je potrebno, da se ustvari prostor zanj.
Medtem ko entropija meri neurejenost in možnost razpršitve v sistemu, entalpija upošteva energijske spremembe, predvsem izmenjavo toplote z okolico. Skupaj zagotavljata celovit pogled na energijsko dinamiko sistema.
Prvi zakon termodinamike ali energijski zakon
Prvi zakon termodinamike, znan tudi kot zakon o ohranitvi energije, pravi, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti; lahko se le preoblikuje, ali prenese. Na zakonu o ohranitvi energije temelji entalpija, ki spremlja izmenjavo toplote pri kemijskih reakcijah. Prvi zakon termodinamike trdi, da skupna energija v izoliranem sistemu ostane konstantna, čeprav lahko spreminja oblike, kot so kemijska, toplotna ali kinetična energija.
Nulti zakon termodinamike (ničti zakon termodinamike)
Nulti zakon termodinamike vzpostavlja pojem temperature in toplotnega ravnovesja. Določa, da če sta dva sistema v toplotnem ravnovesju s tretjim sistemom, sta tudi oba sistema v ravnovesju. Nulti zakon termodinamike je nujen za smiselno opredelitev temperature, ki je ključna za razumevanje entropije. Entropija se z višanjem temperature povečuje, kar vodi v bolj neurejeno stanje.
Tretji zakon termodinamike ali Nernstov zakon
Tretji zakon termodinamike pravi, da je entropija popolnega kristala pri absolutni ničli (0 Kelvinov) enaka nič. Tretji zakon termodinamike uvaja pojem absolutne entropije in zagotavlja referenčno točko za merjenje entropije katerega koli sistema. Pomeni, da se s tem, ko se temperatura približuje absolutni ničli, neurejenost sistema zmanjša na minimum, saj njegovi delci zasedajo najnižje energijsko stanje z le eno možno konfiguracijo.
Podrobno o kromatografiji in o tem, kako ločimo raztopine ter zmesi.
Entalpija in termodinamika: je res tako težko?
Sedaj razumete, kakšen vpliv ima entropija na kemijske reakcije in kateri so dejavniki, ki vplivajo na spremembo entropije. Za določanje spontanosti reakcije smo entropijo povezali z entalpijo, Gibbsovo prosto energijo in zakoni termodinamike. Če želite osnove termodinamike obvladati še bolje, rešujte praktične probleme in uporabljajte načela v vsakodnevnem življenju.
Vam osnove termodinamike povzročajo težave? Pri tem vam lahko pomagata učitelj organske kemije ali inštruktor anorganske kemije. S pomočjo inštrukcij lahko zapletene ideje preobrazite v znanje, ki ga boste ohranili za vedno in navsezadnje tudi praktično uporabljali.
Oglejte si praktične naloge iz matematike z rešitvami: pretvarjanje enot, izrazi in polinomi, številske množice in vrste števil, limite, odvodi in integrali ter kombinatorika.
Entropija in osnove termodinamike: pogosto zastavljena vprašanja
1. Kaj je entropija in kakšna je enota za entropijo?
Entropija pomeni, koliko neurejenosti ima sistem. Enota za entropijo so Jouli na Kelvin (J/K), formula za entropijo je S = k ln Ω.
2. Kaj opisuje drugi zakon termodinamike in kaj pravi o entropiji?
Drugi zakon pravi, da se entropija v izoliranem sistemu vedno povečuje. To pomeni, da zaradi naravnih procesov stvari postajajo vse bolj neurejene in nepovratne.
3. Kakšna je povezava med entropijo in temperaturo?
Entropija in temperatura sta povezani z gibanjem molekul. Višja temperatura pomeni več gibanja in več entropije. Hitrost spreminjanja entropije pa je odvisna od toplotne kapacitete sistema.
4. Kako izračunamo spremembo entropije pri kemijski reakciji?
Poznati morate standardne vrednosti entropije reaktantov in produktov. Sprememba entropije je razlika med vsoto entropij produktov in vsoto entropij reaktantov.
5. Kateri dejavniki vplivajo na spremembo entropije pri kemijski reakciji?
Nekateri dejavniki so temperatura, tlak, faza in kompleksnost molekul. Na splošno se entropija poveča, ko se poveča temperatura, zmanjša tlak, spremeni faza iz trdne v tekočo in plinasto ali kadar imamo opravka z zapleteno zgradbo molekule.
6. Kaj je Gibbsova prosta energija in kako je povezana z entropijo?
Gibbsova prosta energija je količina koristnega dela, ki ga sistem lahko opravi pri konstantni temperaturi in tlaku. Z entropijo je povezana z enačbo G = H – TS, kjer je G prosta energija, H je entalpija, T je temperatura, S pa entropija.
Kako izdelati milo doma?
Viri:
1. Britannica
2. ChemTalk
3. Wikipedia
