化学熱力学物理物質の状態・構成・変化理科統計力学・相対性理論

5分でわかる状態の乱雑さ!エントロピーとの関係を理系学生ライターがわかりやすく解説!

各分野におけるエントロピーの定義

ここからは、各分野でのエントロピーの定義についての説明をします。この定義を使用することで、エントロピーの計算や解析ができるようになりますよ。

今回は、3つの学問分野におけるエントロピーの定義についてご紹介します。3つの学問とは、マクロな視点から気体などの挙動を考察する熱力学、ミクロな視点から様々な粒子の動きを考える統計力学、コンピューターにおけるデータの扱いについて考察する情報工学のことです。

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エントロピーの定義を知ることで、エントロピーの値を計算できるようになるぞ。

熱力学におけるエントロピー

熱力学におけるエントロピー

image by Study-Z編集部

熱力学は、エントロピーの概念を一番はじめに導入した学問です。熱力学におけるエントロピーは、熱の移動における不可逆性や熱機関の限界について言及した熱力学第二法則に密接な関係を持っています。これらの理論は、現在でもエンジンやタービンの開発において用いられていますよ。

熱力学では、エントロピーは相対的な定義がなされており、ある状態における絶対的なエントロピー値を求めることは困難です。2つの状態を比べて、エントロピーの大小がわかるのですね。

熱力学におけるエントロピーはdS=dQ/Tと定義されますよ。これは、絶対温度Tの系に微小な熱量dQを加えたときのエントロピーの変化dSがdQをTで除したものになることを表しています。また、この式を積分することで、2つの状態でエントロピーの差がどの程度であるのかがわかりますよ。

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熱力学におけるエントロピーは相対的な値をとるぞ。

統計力学におけるエントロピー

統計力学におけるエントロピー

image by Study-Z編集部

続いては、統計力学におけるエントロピーの定義について説明します。統計力学は、マクロな視点で気体などの粒子団の挙動を考察する熱力学とは異なり、ミクロな視点で粒子の動きを考察する学問です。また、統計力学におけるエントロピーの定義を用いると、ある状態における絶対的なエントロピー値がわかります

統計力学におけるエントロピーはS=klogWと定義されますよ。Sはエントロピーkはボルツマン定数Wは状態の数です。状態の数は、粒子団のエネルギー分布に注目した確率値のことですよ。この式は、ボルツマンの式と呼ばれる有名な公式です。ドイツのウィーンにあるボルツマンの墓石には、この式が刻まれていますよ。

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ボルツマンの式は非常に有名だ。

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