Eksplorasi Hubungan Teoritis dan Empiris Antara Entropi dan Difusi

Pengetahuan dan kontrol sistem teknik kimia memerlukan perolehan nilai untuk variabel proses dan fungsi yang berkisar pada kesulitan perhitungan dan pengukuran. Laporan ini bertujuan untuk menunjukkan hubungan antara entropi dan difusi dan untuk menyoroti jalan untuk mengubah data dari satu ke yang lain. Korelasi antara dua konsep dieksplorasi pada tingkat mikroskopis dan partikel tunggal. Ruang lingkup eksplorasi dibatasi pada tingkat partikel untuk mengidentifikasi kesamaan yang mendasari fenomena tingkat yang lebih tinggi. Sebuah model probabilistik untuk difusi molekul dikembangkan dan disajikan untuk menggambarkan hubungan erat antara informasi entropik dan difusi. Hubungan antara difusivitas dan konfigurasi/kelebihan entropi dijelaskan dengan menganalisis hubungan Adam-Gibbs dan Rosenfeld. Sebuah analog yang dimodifikasi dari hubungan Adam-Gibbs kemudian ditemukan untuk secara akurat memprediksi data eksperimen tentang difusi dan entropi translasi molekul air tunggal. Hubungan kuantitatif yang dinyatakan dalam laporan ini memungkinkan insinyur kimia memperoleh informasi tentang potensi entropi abstrak dengan memetakan dari sifat dinamis yang lebih konkret seperti koefisien difusi. Korespondensi ini menumbuhkan wawasan yang lebih besar tentang cara kerja sistem teknik kimia yang memberi insinyur peningkatan kesempatan untuk mengontrol dalam proses.

Pengantar:

Sistem, baik yang diamati atau disimulasikan, terdiri dari interaksi kompleks antara beberapa derajat kebebasan, baik ruang maupun waktu. Analisis sistem teknik kimia, khususnya, sering membutuhkan pengetahuan tentang potensi termodinamika dan variabel keadaan dinamis. Himpunan potensial termodinamika yang muncul dalam analisis sistem ini meliputi entalpi, entropi dan energi bebas sebagai anggota. Masing-masing potensial ini merupakan fungsi dari variabel sistem seperti tekanan, suhu dan komposisi. Ketergantungan pada parameter sistem ini memungkinkan potensi termodinamika, bersama dengan turunan pertama dan kedua, membatasi stabilitas dan keseimbangan sistem kimia. Kemampuan membatasi potensi ini berasal dari hukum pertama dan kedua termodinamika, prinsip maksimalisasi entropi dan argumen dari analisis matematis.

Pendudukan keadaan keseimbangan dan stabilitas hanyalah salah satu aspek dari suatu sistem; juga penting untuk memahami bagaimana sistem berkembang menuju atau menjauh dari keadaan ini. Proses dinamis, seperti fenomena transportasi, memediasi evolusi waktu ini. Fenomena transpor mencakup pergerakan besaran-besaran yang kekal: panas, massa, dan momentum. Pergerakan massa, panas, dan momentum mewakili jalur-jalur yang dilacak sistem dalam ruang keadaan. Oleh karena itu, deskripsi lengkap, pemahaman dan kontrol atas sistem teknik kimia memerlukan pengetahuan tentang proses dinamis dan termodinamika aktif, dan korelasinya, dari sistem.

Laporan ini akan berkonsentrasi pada hubungan antara entropi dan difusi. Difusi menandakan proses yang dialami sistem sebagai respons terhadap beberapa ketidakseragaman atau asimetri dalam sistem. Generasi entropi dapat dipahami sebagai konsekuensi dari fenomena difusi. Keterkaitan yang tampak antara dua konsep inilah yang ingin disoroti dan dicirikan oleh laporan ini. Laporan ini bertujuan untuk mendefinisikan hubungan antara entropi dan difusi sehingga memungkinkan untuk menerjemahkan informasi kualitatif dan kuantitatif antara keduanya.

Teori dan Prosedur:

Entropi (S) diakui sebagai ukuran ukuran ruang konfigurasi di mana ruang konfigurasi adalah ruang dari semua kemungkinan konfigurasi mikroskopis yang dapat ditempati oleh suatu sistem dengan probabilitas tertentu. Hal ini dinyatakan dengan rumus entropi Gibbs,
S=-k_b p_i lnâ ¡(p_i ), k_b Konstanta Boltzmann, p_i probabilitas keadaan mikro.
Jika probabilitas setiap keadaan mikro sama maka,
S=k_b lnΩ, di mana Ω ≡ jumlah konfigurasi mikroskopis yang konsisten dengan keadaan setimbang. Ekspresi untuk entropi termodinamika ini sangat mirip dengan ekspresi untuk entropi teoretis informasi dan menunjukkan bahwa entropi dapat dilihat sebagai ukuran tingkat ketidakpastian tentang sistem yang disebabkan oleh informasi yang tidak dikomunikasikan oleh variabel keadaan makro, seperti tekanan dan suhu, saja. Konfigurasi mikroskopis ditentukan oleh derajat kebebasan vibrasi, rotasi, dan translasi dari konstituen molekuler suatu sistem. Dengan demikian, setiap proses yang meningkatkan jumlah konfigurasi mikroskopis yang tersedia untuk sistem juga akan meningkatkan luas ruang konfigurasi sistem, akibatnya, meningkatkan entropi.

Leave a comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *