Eine universelle Methode zur Berechnung der Entropie von Flüssigkeiten wurde geschaffen

Mechanik

Redaktion der Website für technologische Innovationen – 31. Juli 2025

Die Arbeit bringt ein lang erwartetes Werkzeug für breite industrielle und wissenschaftliche Anwendungen hervor. [Bild: SIT/KI-Generiert]

Berechnung der Entropie einer Flüssigkeit

Wissenschaftler haben endlich eine Technik entwickelt, mit der sich die Entropie einer Flüssigkeit praktisch berechnen lässt, und zwar mit einem nicht-empirischen Ansatz – für die Berechnung sind nur die Atomarten ausreichend.

Diese revolutionäre Technik macht die riesigen Mengen experimenteller Daten überflüssig, die heute erforderlich sind, und ebnet den Weg für eine verbesserte Vorhersage chemischer Reaktionen und die Optimierung zahlreicher industrieller Anwendungen mit Flüssigkeiten.

Trotz der wachsenden Nachfrage nach thermodynamischen Daten zu Flüssigkeiten in vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen gibt es für viele Materialien und Substanzen noch immer keine zuverlässigen experimentellen Daten für einen weiten Bereich von Temperatur- und Druckbedingungen.

Koun Shirai und seine Kollegen von der Universität Osaka in Japan nutzten Computersimulationen auf der Grundlage grundlegender physikalischer Prinzipien der sogenannten Dichtefunktionaltheorie , um die atomaren Wechselwirkungen innerhalb der Flüssigkeit zu modellieren. Durch die Berücksichtigung dieser Wechselwirkungen konnten sie die Entropie präzise vorhersagen, ohne auf empirische Messungen angewiesen zu sein.

Der Ansatz wurde anhand vorhandener experimenteller Daten für mehrere Flüssigkeiten validiert. So konnte die Methode beispielsweise die Entropie von flüssigem Natrium mit hoher Genauigkeit vorhersagen und dabei experimentelle Daten über einen weiten Temperaturbereich, auch oberhalb des Schmelzpunkts, abgleichen.

Dieser Erfolg mit einem so gut untersuchten System wie flüssigem Natrium bestätigt laut dem Team die Robustheit ihrer Methode und ihr Potenzial für eine breitere Anwendung auf komplexere Flüssigkeiten.

Entropie von flüssigem Natrium (Na): Aktuelle Berechnung (rot) und experimentelle Daten (schwarz). Der Entropiewert wird durch die Gaskonstante R normiert. T1 bezeichnet die Schmelztemperatur. [Bild: Koun Shirai et al. - 10.1088/1361-648X/ade83e]

Universalwerkzeug

Dass für die Berechnung der Entropie von Flüssigkeiten keine experimentellen Daten mehr erforderlich sind, ist ein grundlegender Fortschritt.

Präzise Entropieberechnungen sind entscheidend für das Verständnis und die Vorhersage des Verhaltens von Flüssigkeiten in verschiedenen chemischen und materiellen Prozessen. Die neue Methode stellt daher ein lang ersehntes Vorhersagewerkzeug für Wissenschaftler und Ingenieure dar, das die Optimierung von Reaktionen und Materialeigenschaften ermöglicht.

„Bislang gab es keine standardisierte Methode zur Berechnung der Entropie von Flüssigkeiten. Unsere Methode stellt einen bedeutenden Fortschritt dar und bietet ein universelles Werkzeug, das auf eine breite Palette von Flüssigkeiten anwendbar ist. Dieser Fortschritt wird die Vorhersage chemischer Reaktionen deutlich verbessern und verschiedene Materialprozesse mit Flüssigkeiten optimieren“, sagte Professor Koun Shirai, der Koordinator des Teams.

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