เอนโทรปี

บทความนี้เกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ สำหรับทางทฤษฎีข้อมูล ดูที่ เอนโทรปีของข้อมูล

เอนโทรปี
สัญลักษณ์ทั่วไป	S
หน่วยเอสไอ	จูล ต่อ เคลวิน (J⋅K−1)
ในหน่วยฐานเอสไอ	kg⋅m2⋅s−2⋅K−1

การละลายของน้ำแข็งในน้ำ นับเป็นตัวอย่างหนึ่งของการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีของน้ำแข็ง ซึ่งเดิมมีโมเลกุลเรียงอยู่กับที่ มาเป็นโมเลกุลเคลื่อนที่ไปมาภายในแก้ว

เอนโทรปี (อังกฤษ: entropy) มาจากภาษากรีก εν (en) แปลว่าภายใน รวมกับ τρέπω (trepo) แปลว่า "หมุนกลับ กลับหลังหัน หรือ หนี" ถือเป็นหัวใจของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางกายภาพที่เกิดขึ้นเองทางธรรมชาติ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะทำให้ความแตกต่างของ ไม่ว่าจะเป็น อุณหภูมิ แรงดัน ความหนาแน่น หรือค่าอื่น ๆ ในระบบค่อย ๆ น้อยลงจนกลืนเป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งต่างจากกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งกล่าวถึงการอนุรักษ์พลังงาน

เอนโทรปีเป็นจำนวนซึ่งใช้อธิบายระบบอุณหพลศาสตร์ เมื่อมองในระดับโมเลกุล กระบวนการทางกายภาพที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติทำให้โมเลกุลมีการเรียงตัวที่ไม่เป็นระเบียบมากขึ้น สามารถแทนได้ด้วยค่าเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้น ในการคำนวณ นิยมใช้สัญลักษณ์ S ซึ่งนิยามจากสมการดิฟเฟอเรนเซียล $dS=\delta Q/T$ โดยที่ $\delta Q$ แทนพลังงานความร้อนที่ถูกดูดเข้าสู่ระบบที่ย้อนกลับได้ ส่วน T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์

หนึ่งในสมการสำคัญของโลกที่เกี่ยวข้องกับเอนโทรปีคือ สมการของลูทวิช บ็อลทซ์มัน

การเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปี (ΔS) ของระบบหนึ่งเดิมจะถูกกำหนดไว้สำหรับกระบวนการอุณหพลศาสตร์ที่ย้อนกลับได้ดังนี้

$\Delta S=\int {\frac {\delta Q_{\text{rev}}}{T}}$

เมื่อ T เป็น อุณหภูมิสัมบูรณ์ ของระบบนำไปหาร ความร้อน ที่ถ่ายโอนเข้าสู่ระบบนั้นแบบย้อนกลับได้และเพิ่มขึ้นด้วยปริมาณ (δQ_rev) (ถ้าความร้อนถูกโอนออก เครื่องหมายจะกลับกัน หมายถึงการลดลงของเอนโทรปีของระบบ) นิยามข้างต้นบางครั้งเรียกว่านิยามมหภาคของเอนโทรปีเพราะมันสามารถนำมาใช้ได้โดยไม่คำนึงถึงคำอธิบายขนาดจุลภาคใด ๆ ของเนื้อหาของระบบ แนวคิดของเอนโทรปีถูกพบว่ามีประโยชน์โดยทั่วไปและมีอีกหลายสูตรมาก เอนโทรปีถูกค้นพบเมื่อมันถูกสังเกตเห็นว่าเป็นปริมาณที่จะมีพฤฒิกรรมเป็น ฟังก์ชันของสถานะ ที่เป็นผลมาจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

เอนโทรปีเป็น คุณสมบัติแบบกว้างขวาง (อังกฤษ: extensive property) มันมี มิติ ของ พลังงาน หารด้วย อุณหภูมิ จึงมีหน่วยเป็น จูล ต่อ เคลวิน (J K⁻¹) ใน ระบบ SI (หรือ kg m² s⁻² K⁻¹ ในแง่ของหน่วยพื้นฐาน) แต่เอนโทรปีของสารบริสุทธิ์มักจะเป็น คุณสมบัติแบบเข้มข้น (อังกฤษ: intensive property) - โดยเป็นได้ทั้งเอนโทรปีต่อหน่วย มวล (หน่วย SI: J K⁻¹ kg⁻¹) หรือเอนโทรปีต่อหน่วย ปริมาณของสาร (หน่วย SI: J K⁻¹ mol⁻¹)

ค่าเอนโทรปี สมบูรณ์ (S แทนที่ ΔS) ถูกกำหนดในภายหลัง โดยใช้ กลศาสตร์ทางสถิติ หรือ กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์

ในการแปลความหมายแบบจุลภาคที่ทันสมัย​​ของเอนโทรปีในกลศาสตร์ทางสถิติ เอนโทรปีคือปริมาณของข้อมูลเพิ่มเติมที่จำเป็นในการระบุสภาวะทางกายภาพที่แน่นอนของระบบ จะได้เป็นข้อมูลจำเพาะทางอุณหพลศาสตร์ของมัน การเข้าใจบทบาทของเอนโทรปีด้านอุณหพลศาสตร์ในกระบวนการต่างๆต้องมีความเข้าใจในวิธีการและเหตุผลของข้อมูลที่เปลี่ยนแปลงเมื่อระบบมีการวิวัฒนาการจากจุดเริ่มต้นของมันไปสู่สภาพขั้นสุดท้ายของมัน มันมักจะพูดได้ว่าเอนโทรปีคือการแสดงออกของความผิดปกติหรือ การสุ่ม ของระบบหนึ่ง หรือการที่เราขาดข้อมูลเกี่ยวกับมัน กฎข้อที่สองตอนนี้มักจะมองว่าเป็นแสดงออกของ สมมุติฐานด้านพื้นฐานของกลศาสตร์สถิติ ผ่านนิยามที่ทันสมัย​​ของเอนโทรปี