Entropie (dispersion d'énergie) - Entropy (energy dispersal)

L'interprétation de l'entropie comme mesure de la dispersion d'énergie a été exercée dans le contexte de la vision traditionnelle, introduite par Ludwig Boltzmann , de l' entropie comme mesure quantitative du désordre . L'approche de dispersion d'énergie évite le terme ambigu de «désordre». Un des premiers défenseurs de la conception de la dispersion d'énergie était Edward Armand Guggenheim en 1949, utilisant le mot «propagation».

Dans cette approche alternative, l'entropie est une mesure de la dispersion ou de l' étalement de l' énergie à une température spécifique . Les changements d'entropie peuvent être liés quantitativement à la distribution ou à l'étalement de l'énergie d'un système thermodynamique, divisée par sa température .

Certains éducateurs proposent que l'idée de dispersion d'énergie est plus facile à comprendre que l'approche traditionnelle. Le concept a été utilisé pour faciliter l'enseignement de l'entropie aux étudiants débutant la chimie et la biologie universitaires .

Comparaisons avec l'approche traditionnelle

Le terme «entropie» a été utilisé depuis le début de l'histoire de la thermodynamique classique , et avec le développement de la thermodynamique statistique et de la théorie quantique , les changements d'entropie ont été décrits en termes de mélange ou de «diffusion» de l'énergie totale de chaque constituant d'un système sur ses niveaux d'énergie quantifiés particuliers.

Ces descriptions ont eu tendance à être utilisées avec des termes couramment utilisés tels que désordre et aléa, qui sont ambigus et dont le sens quotidien est le contraire de ce qu'ils sont censés signifier en thermodynamique. Non seulement cette situation est source de confusion, mais elle entrave également l'enseignement de la thermodynamique. Les étudiants devaient saisir des significations qui contredisaient directement leur usage normal, l' équilibre étant assimilé à un «désordre interne parfait» et le mélange du lait dans le café du chaos apparent à l'uniformité étant décrit comme une transition d'un état ordonné à un état désordonné.

La description de l'entropie comme la quantité de «confusion» ou de «désordre», ainsi que la nature abstraite de la mécanique statistique fondant cette notion, peuvent conduire à une confusion et à des difficultés considérables pour ceux qui commencent le sujet. Même si les cours mettaient l'accent sur les micro - états et les niveaux d'énergie , la plupart des étudiants ne pouvaient pas aller au-delà des notions simplistes de hasard ou de désordre. Beaucoup de ceux qui ont appris en pratiquant des calculs ne comprenaient pas bien la signification intrinsèque des équations, et il était nécessaire d'expliquer qualitativement les relations thermodynamiques.

Arieh Ben-Naim recommande d'abandonner le mot entropie , rejetant à la fois les interprétations de «dispersion» et de «désordre»; au lieu de cela, il propose la notion d '«information manquante» sur les micro-états, telle qu'elle est considérée en mécanique statistique, qu'il considère comme étant de bon sens.

Description

L'augmentation de l'entropie dans un processus thermodynamique peut être décrite en termes de «dispersion d'énergie» et de «diffusion d'énergie», tout en évitant de mentionner le «désordre», sauf pour expliquer des idées fausses. Toutes les explications sur le lieu et la manière dont l'énergie se disperse ou se propage ont été refondues en termes de dispersion d'énergie, afin de souligner la signification qualitative sous-jacente.

Dans cette approche, la deuxième loi de la thermodynamique est introduite comme suit: «L’énergie se disperse spontanément d’être localisée à se répandre si elle n’est pas empêchée de le faire», souvent dans le contexte d’expériences courantes telles qu’une chute de pierre, une poêle à frire refroidissement, rouille du fer, air sortant d'un pneu crevé et glace fondant dans une pièce chaude. L'entropie est alors décrite comme un type sophistiqué d'étalon «avant et après» - mesurant la quantité d'énergie répartie dans le temps à la suite d'un processus tel que le chauffage d'un système, ou l'étendue de la répartition de l'énergie après que quelque chose se soit produit en comparaison avec son état antérieur, dans un processus tel que l'expansion de gaz ou le mélange de fluides (à température constante). Les équations sont explorées en référence aux expériences communes, en insistant sur le fait qu'en chimie, l'énergie que l'entropie mesure comme dispersion est l'énergie interne des molécules.

L'interprétation statistique est liée à la mécanique quantique en décrivant la façon dont l'énergie est distribuée (quantifiée) entre les molécules à des niveaux d'énergie spécifiques, avec toute l'énergie du macrostat toujours dans un seul micro-état à un instant. L'entropie est décrite comme la mesure de la dispersion d'énergie pour un système par le nombre de micro-états accessibles, le nombre d'arrangements différents de toute son énergie à l'instant suivant. Ainsi, une augmentation de l'entropie signifie un plus grand nombre de micro-états pour l'état final que pour l'état initial, et donc plus d'agencements possibles de l'énergie totale d'un système à tout instant. Ici, la plus grande «dispersion de l'énergie totale d'un système» signifie l'existence de nombreuses possibilités.

Le mouvement continu et les collisions moléculaires visualisés comme étant comme des balles rebondissantes soufflées par l'air comme utilisées dans une loterie peuvent alors conduire à montrer les possibilités de nombreuses distributions de Boltzmann et à changer continuellement la «distribution de l'instant», et à l'idée que lorsque le système changements, les molécules dynamiques auront un plus grand nombre de micro-états accessibles. Dans cette approche, tous les événements physiques spontanés quotidiens et les réactions chimiques sont décrits comme impliquant un certain type de flux d'énergie allant d'être localisés ou concentrés à se répandre dans un espace plus grand, toujours vers un état avec un plus grand nombre de micro-états.

Cette approche fournit une bonne base pour comprendre l'approche conventionnelle, sauf dans des cas très complexes où la relation qualitative de la dispersion d'énergie au changement d'entropie peut être si inextricablement obscurcie qu'elle est sans objet. Ainsi, dans des situations telles que l' entropie du mélange lorsque les deux substances différentes ou plus mélangées sont à la même température et à la même pression, de sorte qu'il n'y aura pas d'échange net de chaleur ou de travail, l'augmentation d'entropie sera due à l'étalement littéral hors du énergie motrice de chaque substance dans le plus grand volume final combiné. Les molécules énergétiques de chaque composant sont plus séparées les unes des autres qu'elles ne le seraient à l'état pur, alors qu'à l'état pur elles n'entraient en collision qu'avec des molécules adjacentes identiques, conduisant à une augmentation du nombre de micro-états accessibles.

Adoption actuelle

Des variantes de l'approche de dispersion d'énergie ont été adoptées dans de nombreux textes de chimie de premier cycle, principalement aux États-Unis. Un texte respecté déclare:

Le concept de nombre de micro-états rend quantitatifs les concepts qualitatifs mal définis de `` désordre '' et de `` dispersion '' de la matière et de l'énergie qui sont largement utilisés pour introduire le concept d'entropie: une distribution plus `` désordonnée '' de l'énergie et de la matière correspond à un plus grand nombre de micro-états associés à la même énergie totale. - Atkins et de Paula (2006)

Histoire

Le concept de «dissipation d'énergie» a été utilisé dans l' article de 1852 de Lord Kelvin «Sur une tendance universelle de la nature à la dissipation de l'énergie mécanique». Il distingue deux types ou «réserves» d'énergie mécanique: «statique» et «dynamique». Il a expliqué comment ces deux types d'énergie peuvent changer d'une forme à l'autre lors d'une transformation thermodynamique. Lorsque la chaleur est créée par un processus irréversible (tel que le frottement), ou lorsque la chaleur est diffusée par conduction, l'énergie mécanique est dissipée et il est impossible de restaurer l'état initial.

En utilisant le mot «propagation», un des premiers défenseurs du concept de dispersion d'énergie était Edward Armand Guggenheim . Au milieu des années 1950, avec le développement de la théorie quantique , les chercheurs ont commencé à parler des changements d'entropie en termes de mélange ou de «diffusion» de l'énergie totale de chaque constituant d'un système sur ses niveaux d'énergie quantifiés particuliers, comme par les réactifs et les produits d'une réaction chimique .

En 1984, le chimiste physique d'Oxford Peter Atkins, dans un livre The Second Law , écrit pour les profanes, a présenté une interprétation non mathématique de ce qu'il a appelé «l'entropie infiniment incompréhensible» en termes simples, décrivant la deuxième loi de la thermodynamique comme «l'énergie tend à disperser". Ses analogies comprenaient un être imaginaire intelligent appelé «Démon de Boltzmann», qui court autour de réorganiser et de disperser l'énergie, afin de montrer comment le W dans la formule d'entropie de Boltzmann est lié à la dispersion d'énergie. Cette dispersion est transmise via des vibrations atomiques et des collisions. Atkins a écrit: "chaque atome transporte de l'énergie cinétique , et la propagation des atomes répand l'énergie… l' équation de Boltzmann capture donc l'aspect de la dispersion: la dispersion des entités qui transportent l'énergie."

En 1997, John Wrigglesworth a décrit les distributions spatiales des particules représentées par les distributions des états d'énergie. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, les systèmes isolés auront tendance à redistribuer l'énergie du système dans un arrangement plus probable ou une distribution d'énergie de probabilité maximale, c'est-à-dire de celui d'être concentré à celui d'être étalé. En vertu de la première loi de la thermodynamique , l'énergie totale ne change pas; au lieu de cela, l'énergie a tendance à se disperser dans l'espace auquel elle a accès. Dans son étude de 1999 Statistical Thermodynamics , MC Gupta a défini l'entropie comme une fonction qui mesure la façon dont l'énergie se disperse lorsqu'un système passe d'un état à un autre. D'autres auteurs définissant l'entropie d'une manière qui incarne la dispersion d'énergie sont Cecie Starr et Andrew Scott.

Dans un article de 1996, le physicien Harvey S. Leff a décrit ce qu'il a appelé «la diffusion et le partage de l'énergie». Un autre physicien, Daniel F. Styer , a publié un article en 2000 montrant que «l'entropie en tant que désordre» était inadéquate. Dans un article publié dans le Journal of Chemical Education de 2002 , Frank L. Lambert a soutenu que dépeindre l'entropie comme un «trouble» est déroutant et devrait être abandonné. Il a continué à développer des ressources détaillées pour les instructeurs de chimie, assimilant l'augmentation de l'entropie à la dispersion spontanée de l'énergie, à savoir la quantité d'énergie répartie dans un processus, ou la mesure dans laquelle elle devient largement dispersée - à une température spécifique.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Textes utilisant l'approche de dispersion d'énergie

  • Atkins, PW, chimie physique pour les sciences de la vie . Oxford University Press, ISBN   0-19-928095-9 ; WH Freeman, ISBN   0-7167-8628-1
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Liens externes