今回の記事ではエンタルピーとエントロピーの違いについて解説していきます！
語感が似ているため中々覚えずらいと感じる人も多いと思います。
少し、物理的な側面も含みますが分かりやすく解説するので、ぜひ最後までご覧ください！
エンタルピーとは
エンタルピーは、一般的にHで表されます。
一言であらわすとエネルギーです。
エンタルピーは内部エネルギー（U）と圧力（P）、体積（V）で式（1）のように定義されます。
ここで、内部エネルギーUには粒子の運動と相互作用によるエネルギーが含まれます。エンタルピーHはUにpVを加えた状態量です。特に、物質の熱量に関わる指標として用いられることが多いです。
例えば、物質の出入りがなく、等圧・体積仕事のみの条件下において、
・外部に熱を放出するとエンタルピーは小さくなる。
・外部から熱を受け取るとエンタルピーが大きくなる。
エントロピーとは
次に、エントロピーについて解説します。
エントロピーとは「乱雑さ」を示す指標であります。一般的にはSを用いて表されます。
粒子の配置から、エントロピーを考えてみましょう。
同じ条件で取り得る配置を比較することが大切です。次に、身近な例で考えてみます。
粒子数やエネルギーなどの条件をそろえて比べます。同じエネルギーの微視的状態を等確率として扱えるモデルでは、取り得る配置が多いほどエントロピーは大きくなります。
エントロピーの記号はSです。「乱雑さ」は定性的な目安ですが、見た目だけで大小を決める量ではありません。孤立系全体のエントロピーは減少せず、自然に進む不可逆過程では増加します。可逆過程では一定です。外界と熱や物質をやり取りする系だけのエントロピーは減少する場合があるため、系と周囲を合わせて考えます。
例：水の中に角砂糖を溶かす
まだ、分かりにくいかと思いますので身近な事象を例にとって考えていきましょう！
【例】水の中に角砂糖を入れた時の状態を考えてみましょう。
角砂糖では砂糖分子が結晶中にまとまっています。溶けると砂糖分子は水中に分散し、取り得る配置が増えます。
これは混合によるエントロピー増加を考えるためのイメージです。実際の溶解では水との相互作用や熱の出入りも関わるため、自然に進むかどうかは系と周囲を合わせたエントロピー変化で判断します。
砂糖水を同じ条件で放置しても元の角砂糖と水には戻りませんが、蒸発など条件を変えれば砂糖を結晶として取り出せます。
同じ氷の融解で、HとSの単位を比べる
同じ0 ℃でも、氷と液体の水は別の状態です。約1 atmで、0 ℃の純粋な氷10.0 gを同じ温度の水へ全部変える例で、HとSを比べてみましょう。物質の出入りや蒸発はなく、融点を0 ℃と丸めた近似です。融けた後の水を温める分は含めません。
ペンタ氷も水も0 ℃なら、温度差がないから熱は0？
イコールペンタさん、同じ温度でも相が変わります。ここでは氷1 gを融かす熱を334 Jと与えるので、10.0 gでは3340 Jを受け取ります。定圧で体積の仕事だけなら、ΔHはこの熱に等しく、＋3340 Jです。
系の圧力は外圧に等しく、体積の仕事以外の仕事はないとします。熱を受け取る向きを正に取るので、融解は正のΔHです。温度差を掛ける比熱の式ではなく、融かす質量 × 融解潜熱で求めています。
ペンタじゃあエントロピーも3340 J増えるの？
イコール単位が違います。融点で限りなく小さい温度差で熱を渡す可逆経路を考えると、ΔS＝qrev/Tです。0 ℃は273.15 Kなので、3340 J ÷ 273.15 K ≈ ＋12.2 J/K。実際の融解が不可逆でも、同じ始終を結ぶ可逆経路から系のSの差を求められます。
3340と12.2は異なる単位の値なので、そのまま大小を比べたり足し引きしたりしません。TΔSならK × J/K ＝ Jとなり、エネルギーの単位へそろいます。系のSが増えたことと、系・周囲を合わせた全体のSの変化も分けて考えます。
まとめ
今回の記事では、エンタルピーとエントロピーの違いを解説しました！
まとめると、
・エンタルピーはエネルギーの一種であり、熱量を表す指標である。
・エントロピーは状態を表す量です。孤立系全体では、不可逆過程で増加し、可逆過程で一定となります。系だけの変化と、系・周囲を合わせた変化を区別します。
いかがでしたか？最後までご覧いただきありがとうございました！
↓基礎固めにおすすめです！
コメント