Entropie ist das thermodynamische Maß für Unordnung – wie viele Arten die Teilchen und die Energie eines Systems angeordnet werden können, während es von außen immer noch gleich aussieht. Die Berechnung der Entropieänderung einer Reaktion, ΔS, sagt Ihnen, ob ein Prozess die Welt mehr oder weniger zufällig macht, was die Hälfte dessen ausmacht, ob eine Reaktion spontan abläuft.
Entropie als Zustandsfunktion
Entropie ist wie die Enthalpie eine Zustandsfunktion – sie hängt nur vom aktuellen Zustand eines Systems ab, nicht vom Weg dorthin. Das bedeutet, dass jede Substanz eine absolute molare Standardentropie S° hat, die tabelliert werden kann (im Gegensatz zur Enthalpie, bei der nur Differenzen ΔH von Bedeutung sind, da es keinen echten Nullpunkt für die Energie gibt). Dies ist eine Folge des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik, der die Entropie eines perfekten Kristalls beim absoluten Nullpunkt auf genau Null setzt.
Zwei äquivalente Möglichkeiten, ΔS zu finden
Sie können ΔS für eine Reaktion auf zwei Arten berechnen, die miteinander übereinstimmen. Die Standardentropiemethode summiert ΣS°(Produkte) − ΣS°(Reaktanten) unter Verwendung tabellarischer Werte, genauso wie ΔH aus Bildungsenthalpien ermittelt wird. Die wärmebasierte Methode ΔS = q/T gilt für jeden reversiblen Prozess und ist besonders nützlich für Phasenänderungen wie Schmelzen oder Sieden, die bei einer konstanten Temperatur stattfinden – das ist tatsächlich die Betriebsdefinition, auf der die Entropie ursprünglich basiert.
Lesen des Vorzeichens von ΔS
Ein positives ΔS bedeutet, dass die Produkte fehlgeordneter sind als die Reaktanten – was häufig vorkommt, wenn eine Reaktion mehr Mol Gas erzeugt, einen Feststoff auflöst oder ein großes Molekül in kleinere Stücke zerbricht. Ein negatives ΔS bedeutet, dass das System geordneter wird, beispielsweise wenn sich Gasmoleküle zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff verbinden oder wenn sich mehrere kleine Moleküle zu einem größeren verbinden. Das Vorzeichen anhand molekularer Überlegungen vorherzusagen, ist eine nützliche Überprüfung der geistigen Gesundheit, bevor man einer berechneten Zahl vertraut.
Entropie und Spontaneität
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtentropie des Universums bei einem spontanen Prozess nie abnimmt – aber die eigene Entropie eines Systems kann lokal abnehmen, solange die Entropie der Umgebung mindestens um den gleichen Betrag zunimmt. Ob eine Reaktion insgesamt spontan verläuft, hängt von der freien Gibbs-Energie ΔG = ΔH − TΔS ab, die Entropie gegen Enthalpie abwägt. Eine Reaktion mit negativem ΔS kann immer noch spontan sein, wenn sie genügend Wärme freisetzt (sehr negatives ΔH), um dies zu kompensieren – sehen Sie sich den Gibbs-Rechner für freie Energie an, um beide Effekte zu kombinieren.