Энтропия в термодинамике

Энтропия в термодинамике — это что такое? Описание, теория и примеры

Энтропия в термодинамике

Понятие об энтропии в термодинамике — это достаточно важный и в то же время непростой вопрос, поскольку существуют различные точки зрения для ее интерпретации. Опишем энтропию подробно в статье, а также приведем примеры процессов, где она играет ключевую роль.

Значение понятия

Разговор об энтропии логичнее всего начать с ее определения. Итак, энтропия в термодинамике — это экстенсивная физическая величина, которая отражает число возможных микросостояний описываемой макросистемы. Иными словами, энтропия отражает уровень организации: чем более неоднородной является система, тем меньше ее энтропия.

Субстантивированные прилагательные и их виды

Важно понимать два основных свойства энтропии:

  • Экстенсивность. То есть эта величина зависит от размеров системы и массы вещества, которая в ней присутствует. Например, если посчитать количество энтропии для каждого из двух сосудов с водородом объемами V1 и V2, в которых газ находится при некотором давлении P и имеет температуру T, то в результате соединения этих сосудов между собой общая энтропия будет равна их сумме.
  • Энтропия в термодинамике — это функция состояния системы. Это означает, что говорить об этой величине можно только тогда, когда система находится в термодинамическом равновесии. При этом энтропия не зависит от истории эволюции этой системы, то есть совершенно не важно, каким способом она пришла к этому термодинамическому состоянию.
  • Что определяет энтропия?

    Почему в космосе нет воздуха и действительно ли это правда

    Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА Жизнь программиста и интересные обзоры всего. , чтобы не пропустить новые видео.

    Другими словами, для чего она была введена в физику? Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно рассмотреть простой эксперимент: всем известно, что если взять холодный прут металла и привести его в контакт с таким же прутом, но нагретым до некоторой температуры, то с течением времени горячее тело будет охлаждаться, а холодное – нагреваться. Никто никогда не наблюдал обратный процесс. Направление протекания рассмотренного явления описывается с использованием концепции «энтропия».

    Любая изолированная система, предоставленная самой себе, всегда стремится занять наиболее вероятное состояние. Это состояние характеризуется хаотичным и однородным распределением элементов, составляющих систему, и понимается как состояние с максимальным значением энтропии.

    Статистическая интерпретация

    В конце XIX — начале XX века австрийский физик Людвиг Больцман развил новое направление в физике, получившее название статистическая механика. В этой новой науке он ввел понятие об абсолютной энтропии, которую ученый представил в виде: S = k*ln(Ω), где k — константа Больцмана, Ω — количество возможных состояний в системе.

    Отметим, что в физике абсолютное значение энтропии мало кого интересует, поскольку все математические формулы, которые учитывают рассматриваемую физическую величину, включают в себя именно ее изменение.

    Обратимые процессы в термодинамике

    Еще одно определение энтропии в термодинамике — это связь с энергией, которая никаким способом не может быть переведена в полезную работу, например, в механическую. Известно, что эта энергия существует в виде тепла в данной системе, но для практического использования она непригодна.

    Например, двигатель внутреннего сгорания работает с некоторым КПД (многие люди, возможно, об этом никогда не задумывались, но коэффициент полезного действия двигателей, которые находятся внутри их автомобилей, составляет всего около 20-25 %), который никогда не будет равен 100 %, какими бы совершенными ни были технологии. Это происходит потому, что в результате термодинамического процесса сгорания топлива часть энергии (большая часть в рассматриваемом случае) теряется на разогрев деталей и на трение. Процесс сгорания топлива — яркий пример увеличения энтропии.

    В середине XIX века немецкий ученый Рудольф Клаузиус, анализируя разные термодинамические процессы, ввел понятие «энтропия системы» и смог математически его выразить в виде следующего выражения: dS = δQ/T, здесь dS — изменение энтропии системы, δQ — изменение энергии, которое произошло в результате данного процесса, T — абсолютная температура. Отсюда получаем, что единицей измерения dS в СИ является Дж/К.

    Приведенная формула энтропии в термодинамике справедлива только для обратимых процессов, то есть таких переходов, которые могут происходить как в прямом, так и обратном направлении, если изменить внешние условия. Например, если сжать газ, находящийся в герметичном цилиндре с помощью внешней силы, а затем прекратить действие этой силы, то газ восстановит свой первоначальный объем (состояние).

    Таким образом, согласно уравнению Клаузиуса, изменение энтропии во время обратимого процесса равно отношению изменения энергии между начальным и конечным состояниями к абсолютной температуре.

    Изотермический и адиабатический обратимые процессы

    Изотермический процесс — это частный случай, который предполагает, что конечное и начальное состояния системы имеют одинаковую температуру. Согласно формуле Клаузиуса, в результате обратимого изотермического процесса изменение энтальпии системы будет точно равно количеству тепла, которым она обменялась с окружающей средой, деленному на температуру.

    Примером такого процесса является расширение идеального газа за счет подвода к нему теплоты извне. Вся подводимая энергия в этом случае тратится на выполнение механической работы (расширение), а температура газа при этом остается постоянной.

    Рассматривая концепцию энтропии, интересно также вспомнить об адиабатическом процессе, под которым понимают любой переход в изолированной системе, то есть в ней сохраняется внутренняя энергия. Если этот процесс является обратимым, то согласно формуле dS = δQ/T = 0, поскольку δQ = 0 (нет обмена теплом с окружающей средой).

    Необратимые процессы

    Рассмотренные примеры разных процессов могут только в грубом приближении считаться обратимыми, поскольку в них всегда существуют различные тепловые потери. В нашей Вселенной практически все процессы являются необратимыми.

    Для них сформулирован 2 закон термодинамики, и энтропия играет важную роль. Приведем формулу: dS≥δQ/T.

    О чем говорит это выражение: согласно второму закону термодинамики, энтропия в результате абсолютно любого необратимого процесса всегда увеличивается (см. знак «>» в выражении).

    Таким образом, подобно факту, что энергия не может быть создана из ничего и не может исчезать бесследно, второй закон термодинамики свидетельствует, что энтропия может быть создана, но не может быть уничтожена (постоянно увеличивается).

    Историческая справка

    Как было выше сказано, об энтропии физики стали задумываться только в середине XIX века. Причиной этому послужил тот факт, что первые паровые машины обладали чрезвычайно низким КПД (в начале XVIII века типичным значением КПД для этих машин было 2 %). То есть энтропия изначально понималась как «распыление» тепловой энергии во время термодинамического процесса.

    Само слово «энтропия», введенное Клаузиусом, с древнегреческого языка означает «эволюция, преобразование», тем самым подчеркивается ее важность для описания протекающих процессов.

    Энтропия и тепловая смерть Вселенной

    Согласно 2-му началу термодинамики, энтропия в нашей Вселенной постоянно увеличивается. Это означает, что в конце концов она достигнет своего максимального значения, когда вещество однородно распределится и температура выровняется во всем пространстве. Такая гипотеза была выдвинута тем же Клаузиусом и получила название тепловой смерти Вселенной.

    Реализуется ли она в действительности, зависит от области применимости термодинамики.

    Дело в том, что на микроуровне, когда рассматриваются отдельные молекулы и атомы, энтропия в термодинамике — это бессмысленная величина, так как сами законы этой ветви физики перестают работать.

    Предполагается, что аналогичные ограничения их применимости существуют, когда масштабы системы достигают бесконечных значений, то есть размеров Вселенной.

    Источник

    Источник: https://1Ku.ru/obrazovanie/16515-entropiya-v-termodinamike-eto-chto-takoe-opisanie-teoriya-i-primery/

    Энтропия. Второй закон термодинамики Энтропия

    Энтропия в термодинамике

    На основании первого начала термодинамикиневозможно установить, в каком направлениии до какого предела будет протекать тотили иной процесс, связанный с превращениемэнергии.

    Из наблюдений над естественными явлениямив природе известно, что многие из нихосуществляются самопроизвольно(т.е. без внешних воздействий) только вопределенном направлении.

    Так, теплота передается от более нагретоготела к менее нагретому, газ распространяетсяиз области высокого давления в областьнизкого, вода стекает по склону тольковниз, а не наоборот. В обратном направленииуказанные процессы идти не могут, т.к.требуют приложения энергии извне. Всвязи с этим они являются несамопроизвольными.

    Характерной особенностью многихсамопроизвольных процессов являетсято, что их протекание сопровождаетсяуменьшением внутренней энергии илиэнтальпии системы. Это утверждениесправедливо и для большинства химическихреакций, которые, как правило, являютсяэкзотермическими, если протекают самипо себе.

    Наблюдаемые закономерности можнообъяснить, если предположить, что любаясистема из всех разрешенных ей состоянийстремится занять то, в котором будетобладать наименьшим (из возможных длянее) значением внутренней энергии илиэнтальпии. При этом данное состояниедля системы будет наиболее устойчивым.

    Однако предсказать направленностьсамопроизвольного протекания физическихи химических процессов только за счетстремления системы к достижениюминимального значения своей внутреннейэнергии удается не всегда, т.к. известнымногие физические явления и эндотермическиехимические реакции, которые идутсамопроизвольно, но внутренняя энергиясистемы при этом возрастает.

    Примерами таких процессов являются:растворение в Н2О некоторых твердыхсолей (NН4NО3,NаСl,KNO3),распад угольной кислоты на газообразныйСО2и жидкую Н2О.

    Очевидно, существует еще какая-то причинаили мотив, влияющие на возможностьосуществления тех или иных явлений.Опытным путем установлено, что такимдругим поводом для самопроизвольногопротекания процессов в природе являетсястремление системы к максимальномубеспорядку, т.е. к достижению неупорядоченногосостояния, которое при данных условияхбудет для нее наиболее вероятным (рис.10).

    Рис. 10. Схема,иллюстрирующая самопроизвольный процессвыравнивания концентрации

    В связи с этим вводится новаятермодинамическая функция энтропия(S),являющаясямерой упорядоченности системы или меройвероятности достижения ею того илииного состояния.

    Термодинамические системы представляютсобой совокупность огромного числаструктурных единиц вещества: молекул,ионов, атомов, которые участвуютодновременно в различных видах движения:поступательном, вращательном, колебательноми т.д.

    Ранее было показано, что любое состояниесистемы можно описать как с помощьюнабора ее макроскопических параметров,так и микроскопических. Причем последниеучитывают свойства не всей системы вцелом, а каждой ее отдельной структурнойединицы, т.е.

    ее расположение в пространстве,скорость и направление движения, характерэтого движения, способ и меру взаимодействияс соседними частицами и т.д.

    Вследствиетеплового движения частиц значения ихмикроскопических параметров будутпостоянно изменяться во времени дажев том случае, если макроскопическиепараметры системы останутся неизменными,вследствие достижения ею равновесногосостояния.

    Многочисленные наблюдения позволилисделать вывод, что чем большим числомразличных микросостояний структурныхединиц вещества может быть описаноданное макросостояние системы, тембольше вероятность его осуществленияи большее значение при этом приметэнтропия самой системы.

    Принято, что энтропия чистых веществ,существующих в виде идеальных кристалловпри температуре абсолютного нуля (0оKили –273оС), равнанулю.

    Это значит, что в данном случаедостигается полная упорядоченностьсистемы, в результате чего всякоедвижение частиц в узлах кристаллическойрешетки станет невозможным.

    Такимобразом, данное макросостояние системыможет быть реализовано только однимопределенным расположением структурныхединиц друг относительно друга (иначеговоря, лишь одним их микросостоянием).

    При повышении температуры число возможныхмикросостояний частиц возрастает, т.к.появляются и усиливаются колебательныеи вращательные движения атомов, ионовили молекул в узлах кристаллическойрешетки. В связи с этим число возможныхвариантов их расположения друготносительно друга тоже увеличивается.

    Энтропия системы возрастает не толькос повышением температуры, но и приплавлении либо сублимации твердоговещества, кипении жидкости. Сопровождаютсяувеличением энтропии и процессырасширения газа, растворения кристаллов,химического взаимодействия, протекающегос увеличением числа молекул либо другихструктурных единиц вещества.

    Все процессы, связанные с увеличениемупорядоченности системы: охлаждение,кристаллизация из раствора либо расплава,конденсация газа, сжатие газа, химическиереакции, протекающие с уменьшениемчисла структурных единиц вещества(полимеризация, поликонденсация) –наоборот, сопровождаются уменьшениемэнтропии.

    Так как энтропия системы пропорциональначислу ее равновероятных микросостояний(W), то,согласно уравнению Больцмана,она может быть численно определенаследующим образом:

    S=k·lgW,

    где k– коэффициент пропорциональности,называемый иначе константой Больцмана.Он имеет значение 1,38 · 10–23Дж/K и рассчитываетсяпо формуле:

    ,

    где R– универсальная газовая постоянная;

    NA– число Авогадро.

    Однако таким образом определить значениеэнтропии для термодинамической системынельзя, т.к. не представляется возможнымучесть и сосчитать все ее микроскопическиесостояния.

    В 1865 г. Клаузиус предложил другуютрактовку понятия энтропии.

    РудольфКлаузиус (18221888).

    Немецкийфизик. Ввел понятие энтропии. Обобщивработы Карно, Р. Клаузиус определилфункцию S, которая зависит только отначального и конечного состоянияобратимого процесса и dS = .

    При этом он писал: «Предлагаю величинуS назвать энтропией от греческого– преобразование.

    Я специально так подобрал слово энтропия,чтобы оно было созвучно со словомэнергия, так как эти две величинынастолько сходны по своему физическомузначению, что созвучие их кажется мнеполезным».

    Он исходил из того, что движение частицв любой системе может быть упорядоченными неупорядоченным. Между этими двумявидами движения существует принципиальнаяразница.

    Упорядоченное движениеспособнополностью превращаться в неупорядоченное,а переход неупорядоченного движения вупорядоченное никогда не бывает полным.Причина разности между двумя типамидвижения связана с неодинаковойвероятностью осуществления каждого изних.

    Внутренняя энергия идеального газаполностью (а в других системах взначительной степени) определяетсянеупорядоченным тепловым движениеммолекул.

    В то же время совершение работывсегда требует упорядоченного(направленного) движения частиц вещества.Поэтому принципиально невозможно всювнутреннюю энергию системы использоватьдля совершения работы.

    Иными словами –любая форма энергии может перейти втеплоту, но теплота преобразуется вдругие формы энергии только частично.

    Естественность хаотического движениямолекул является причиной того, чторазличные виды энергии стремятсясамопроизвольно перейти в теплоту, атеплота передается менее нагретымтелам.

    Таким образом, запас внутренней энергиисистемы можно представить в виде двухслагаемых.

    Ту часть внутреннейэнергии, которую можно использоватьдля совершения работы, по предложениюГельмгольца назвали свободнойэнергией, остальную часть внутреннейэнергии, которую даже в принципе нельзяпревратить в работу, назвали связаннойэнергией.Она может превращатьсятолько в теплоту и рассеиваться.

    Свободная энергия в любой системезаключена в виде потенциальной энергии.По мере совершения системой работывеличина ее свободной энергии убывает.Так, более разреженный газ содержитменьше свободной энергии и большесвязанной, чем сжатый газ при одной итой же температуре. Следовательно,сжатый газ способен совершить большеполезной работы.

    Величина связанной или «обесцененной»части внутренней энергии тем больше,чем меньше разность температур в системемежду отдельными ее частями и вышестепень неупорядоченности молекул вней. Таким образом, при самопроизвольныхпроцессах количество свободной энергиив системе должно уменьшаться, а связанной,наоборот, увеличиваться.

    Мерой изменения связанной энергии припереходе системы из одного состоянияв другое Клаузиус предложил считатьизменение ее энтропии. Он показал, чтодля изотермических обратимых процессовизменение энтропии равняется тепловомуэффекту процесса, деленному на температурусистемы (в градусах Кельвина):

    Для изобарных процессов, в ходе которыхтемпература системы изменяется от Т1до Т2и ее агрегатное состоянииостается одним и тем же, ΔSопределяетсяболее сложным образом:

    При этом, если Т1= 0; то ΔS=SТ–S0,

    где S0– энтропия системы при абсолютном нуле;SТ –энтропия системы при температуре Т.

    Если S0= 0, то ΔS=SТ, а значит

    Верхнее выражение позволяет рассчитатьэнтропию при любой температуре, еслиизвестна зависимость изобарнойтеплоемкости системы (Ср) оттемпературы в интересующем нас интервале.При температуре плавления и температурекипения энтропия вещества увеличиваетсяскачкообразно (рис. 11) и ее прирост ΔSможно рассчитать по формуле

    где Qфаз. перехода– теплота, затраченная на плавлениеили кипение вещества; Тфаз. перехода– температура плавления или кипениявещества.

    В общем случае энтропию любого веществапри некоторой температуре Т можнорассчитать по формуле

    Рис. 11. Зависимостьэнтропии некоторого вещества оттемпературы (тв. – твердое вещество; ж.– жидкость; г. – газообразное вещество)

    Энтропию вещества, найденную такимобразом (т.е. относительно S0= 0), называют абсолютной энтропией.

    Значения энтропии различных чистыхвеществ, определенные в расчете на одиних моль или для растворов веществ смолярной концентрацией 1 моль/дм3при Т = 298Kи р = 101,325 кПа называютсястандартнымиэнтропиямии являются справочными величинами(табл. 3).

    Единица измерения энтропии длявещества (так называемая «энтропийнаяединица» или сокращенно – э.е.) имеетразмерность Дж/моль · K.

    Изменение энтропии при протеканиикакой-либо химической реакции можновычислить таким же способом, как иизменение энтальпии, т.е. из суммыэнтропий продуктов реакции следуетвычесть сумму энтропий исходных веществ(с учетом стехиометрических коэффициентов):

    Например, для химической реакции:

    4NH3(г)+ 3O2(г)= 2N2(г)+ 6H2O(ж)

    = ((N2(г))+(H2O(ж))– ((O2(г))+(NH3(г))

    Таблица 3.Стандартные энтропии некоторых веществ (Дж/моль • К)

    ВеществоS°298ВеществоS°298Вещест-воS°298ВеществоS°298
    Al (г.)Al (тв.)Al3+ (р.)AlCl3(тв.)AlBr3(тв.)Al2O3(тв.)Fe (г.)Fe (тв.)Fe3+(р.)FeO (тв.)Fe2O3 (тв.)NaCl (тв.)164,428,35-301109,3180,250,92180,427,15-309,360,7587,472,12Cl2(г.)Cl (г.)Cl-(р.)HCl(г.)HCl(р.)ClO2(г.)Cl2O(г.)Br2 (г.)Br2 (ж.)HBr (г.)HI (г.)CaO(тв.)229,9165,156,54186,856,5257,0266,2245,5152,2198,6206,539,7N2 (г.)NH3 (г.)NH4+(р.)NH4Cl(тв.)NO (г.)NO2 (г.)N2O4 (г.)HNO3(г.)NO3-(р.)Pбел (тв.)Pкрас (тв.)CO2 (г.)199,9192,6114,495,8210,6240,1304,3266,9147,341,122,8213,68H2O (г.)H2O(ж.)H2O(тв.)H2 (г.)H+(р.)OH-(р.)O2 (г.)O3 (г.)SO2(г.)SO3 (г.)H2S(г.)CaCO3(тв.)188,7270,0839,33130,60-10,87205,04238,8248,1256,4205,792,9

    Энтропия является функцией состояния(ее изменение не зависит от пути процесса)и экстенсивным свойством системы (т.е.общая энтропия системы равна суммеэнтропий ее составных частей).

    В изолированных системах самопроизвольномогут протекать только те процессы,которые сопровождаются увеличениемэнтропии. Это означает, что состояниеустойчивого термодинамическогоравновесия в такой системе возникаетв том случае, если величина ее энтропиидостигает своего максимально возможногозначения.

    Для неизолированных, т.е. закрытых иоткрытых систем только изменениеэнтропии, как и изменение одной внутреннейэнергии, уже не является критериемвозможности самопроизвольного протеканияпроцесса.

    Источник: https://studfile.net/preview/5362964/page:9/

    Энтропия

    Энтропия в термодинамике

    Энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии. Первый закон термодинамики гласит, что энергию невозможно создать или уничтожить.

    Следовательно, количество энергии во вселенной всегда такое же, как было и при ее создании.

    Второй закон термодинамики гласит, что коэффициент полезного действия ни одного реального (необратимого) процесса не может быть 100% при преобразовании энергии в работу.

    ,

    где ΔS — изменение энтропии, ΔQ — изменение теплоты, T — абсолютная термодинамическая температура.

    Следовательно, количество энергии для преобразования в работу или теплоту непрерывно уменьшается со временем, так как теплота спонтанно переходит из более теплой области к более холодной.

    Другими словами, количество энергии во вселенной остается постоянным, но ее способность использования для того, чтобы проделать полезную работу, уменьшается при каждой теплопередаче и выполнении работы.

    Энтропия используется для измерения уменьшения пригодности энергии в результате процесса.

    Термин «энтропия» используется для описания количества хаотичности в любой системе. В термодинамике энтропия указывает расположение молекул вещества или организацию энергии системы. Системы или вещества с высоким значением энтропии более дезорганизованы, чем с низким.

    Например, у молекул в твердых телах определенная кристаллическая структура, благодаря чему они лучше организованы, и у них ниже значение энтропии.

    При сообщении телу теплоты и изменении его состояния на жидкое увеличивается уровень его энтропии, так как кинетическая энергия увеличивает колебания молекул, в результате чего их положение становится случайным.

    Энтропия увеличивается, когда жидкость изменяет состояние на газообразное при потреблении большего количества тепловой энергии. Такая же аналогия существует при описании порядка источников энергии. Если энергия заключена в ограниченном источнике, у нее низкое значение энтропии.

    Если она распределена среди большого количества молекул, ее интенсивность уменьшается, увеличивая энтропию. Например, если 1,05 кДж энергии у 1000 молекул передать 1 миллиону молекул, интенсивность энергии уменьшится, а энтропия возрастет. Энтропию трудно понять, так как это абстрактное понятие беспорядка энергии во вселенной.

    Этот беспорядок связан с уменьшением пригодности энергии для преобразования в работу. Энергия всегда становится недоступной, если процессы уменьшают ее интенсивность, распространяя ее по вселенной. Если энергия распределена среди бесчисленных молекул вселенной, разница температур самых холодных и самых теплых участков уменьшается.

    Если разница температур уменьшается, тепловая энергия, которую можно преобразовать в полезную работу, также уменьшается. Следовательно, любой процесс, который производит увеличение энтропии, уменьшает энергию для будущих процессов.

    В конечном счете наступит момент, когда энтропия вселенной приблизится к максимальному значению, и преобразование теплоты в работу станет невозможным.

    Все процессы теплопередачи в конечном счете увеличивают энтропию вселенной.

    Хотя энтропия двух процессов может показать математическое уменьшение, как в процессе конденсации или переохлаждения энтропия вселенной все равно увеличивается, так как во всех процессах передачи теплоты от более холодных участков более теплым выполняется работа. Данная работа больше увеличивает энтропию, чем уменьшает при теплопередаче жидкости, когда она охлаждается или конденсируется.

    Абсолютная энтропия (S) вещества или процесса — это изменение доступной энергии при теплопередаче при данной температуре (Btu/R, Дж/К). Математически энтропия равняется теплопередаче, деленной на абсолютную температуру, при которой происходит процесс.

    Следовательно, процессы передачи большого количества теплоты больше увеличивают энтропию. Также изменения энтропии увеличатся при передаче теплоты при низкой температуре.

    Так как абсолютная энтропия касается пригодности всей энергии вселенной, температуру обычно измеряют в абсолютных единицах (R, К).

    Удельную энтропию (S) измеряют относительно единицы массы вещества. Температурные единицы, которые используются при вычислении разниц энтропии состояний, часто приводятся с температурными единицами в градусах по Фаренгейту или Цельсию.

    Так как различия в градусах между шкалами Фаренгейта и Ренкина или Цельсия и Кельвина равные, решение в таких уравнениях будет правильным независимо от того, выражена энтропия в абсолютных или обычных единицах.

    У энтропии такая же данная температура, как и данная энтальпия определенного вещества.

    Энтропия в термодинамике

    Контакты
    Компания ООО Ксирон-ХолодРоссия г. Ивантеевка, Санаторный проезд, дом 1, корпус 23, 141281 Почтовый адрес: Санаторный проезд, дом 1, г.Ивантеевка, Московская область, 141281Телефон: (495) 984-74-92; (495) 226-51-87;Email: info@xiron.ruМы работаем ежедневно с 9:00 до 18:00, кроме выходных.Прием заявок на сайте — круглосуточно ИНН 5038123297 ОГРН 1165038054565 E-mail: Отправить заявкуОтзывы/СертификатыПостроить маршрут с помощью: Яндекс картыДоставка: осуществляем отправку оборудования по России и в страны СНГ.

    Схема проезда

    Источник: http://www.xiron.ru/content/view/23195/28/

    Энтропия в термодинамике

    Энтропия в термодинамике

    Обычно любой физический процесс, при котором система постепенно переходит из одного состояния в другое, протекает по-разному, поэтому провести это явление в обратное состояние практически невозможно.

    Для этого необходимо использовать показатели промежуточного времени в окружающих определенную среду телах.

    Это напрямую связано с тем, что в процессе часть энергетического потенциала рассеивается путем постоянного трения и излучения.

    Рисунок 1. Термодинамическая энтропия. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

    Согласно законам термодинамики, практически все явления в природе необратимы. В любом физическом процессе часть энергии постепенно теряется.

    Для характеристики и описания рассеяния энергии вводится определение энтропии, объясняющее тепловое состояние концепции и определяющее вероятность возникновения нового состояния тела. Чем более вероятно это состояния, тем больше показатель энтропии.

    Все естественные ситуации в обычной жизни сопровождаются ростом данного элемента, который остается постоянным только в случае идеализированного процесса, наблюдаемого в замкнутой системе.

    Ничего непонятно?

    Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

    Определение 1

    Энтропия – это универсальная функция состояния конкретной системы, незначительное изменение которой в обратимой ситуации равно отношению ничтожно малого количества введенной в данный процесс теплоты при соответствующей начальному состоянию температуре.

    Поскольку энтропия есть основная функция состояния физического тела, то свойством интеграла выступает его самостоятельность и независимость от формы контура, по которому он вычисляется таким образом:

    • в любом обратимом физическом явлении изменения энтропии приравниваются нулю;
    • в термодинамике доказывается, что системы необратимой цикл возрастает с равными промежуточными параметрами;
    • энтропия замкнутой системы может либо возрастать, либо оставаться в стабильном состоянии.

    Следовательно, указанная термодинамическая функция обладает особенностями аддитивности: энтропия каждой системы равна сумме энтропий материальных тел, входящих в систему: $S = S_1 + S_2 + S_3 + …$ Существенным отличием теплового движения элементарных частиц от других форм движения является их беспорядочность и хаотичность.

    Поэтому для описания теплового движения изначально нужно ввести количественный уровень молекулярной нестабильности.

    Если рассмотреть данное макроскопическое состояния вещества с любыми средними значениями параметров, то оно представляет собой ни что иное, как систематическая смена близко расположенных микросостояний, которые отличаются друг от друга распределением молекул в различных частях объема.

    Статистическое определение энтропии: принцип Больцмана

    Рисунок 2. Статистический смысл энтропии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

    В 1877 году ученый Людвиг Больцман обнаружил, что энтропия концепции может относиться к числу вероятных «микросостояний», которые согласуются с основными термодинамическими свойствами. Хорошим примером такого явления выступает идеальный газ в сосуде. Микросостояние в указанном элементе определено как импульсы и позиции (моменты движения) каждого составляющего систему атома и молекула.

    Комплексность предъявляет к ученым требования исследовать только те микросостояния, для которых:

    • месторасположения всех движущихся частей расположены в пределах сосуда;
    • для получения общего энергетического потенциала кинетические энергии газа в итоге суммируются;
    • затем тепловая константа определяет количество микросостояний, которые возможны в имеющемся состоянии (статистический вес состояния).

    Такой постулат, известный в науке как принцип Больцмана, возможно охарактеризовать в виде начала статистической механики, описывающего подробно главные термодинамические системы и использующего для своих целей принципы классической и квантовой физики.

    Замечание 1

    Закон Больцмана связывает в термодинамике все микроскопические свойства системы с одним из её динамических свойств.

    Согласно определению исследователя, энтропия является просто дополнительной функцией состояния, параметры которой могут быть только натуральным числом.

    Понимание энтропии как меры беспорядка

    Рисунок 3. Возрастание энтропии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

    Существует мнение, что энтропию возможно рассматривать, как меру беспорядка в определенной системе.

    Иногда, с научной точки зрения, это может быть оправдано, так как зачастую ученые в первую очередь думают об «упорядоченных» концепциях как элементах, имеющих практически нулевую возможность дальнейшего конфигурирования, а как о «нестабильных» системах, обладающих множеством вероятных состояний. Собственно, это просто переформулированное трактовка энтропии как количества микросостояний, действующих в определенной среде.

    Подобное определение беспорядка и хаотичности термодинамической системы как основного параметра возможностей конфигурирования концепции практически дословно соответствует формулировке энтропии в виде микросостояний.

    Проблемы начинаются в двух конкретных случаях:

    • когда физики начинают смешивать разные понимания беспорядка, в результате чего энтропия становится мерой беспорядка в целом;
    • когда определение энтропии используется для систем, изначально не являющихся термодинамическими.

    В вышеуказанных случаях применение понятия энтропии в термодинамике абсолютно неправомерно.

    Значение энтропии для живых организмов

    Все трансформации и превращения внутренней энергии описываются в физике законами термодинамики, которые при адекватных физических моделях и грамотно сформулированных физических ограничениях вполне применимы и для жизненных нестабильных процессов. Уменьшение показателя энтропия (появление отрицательной энергии по Шрёдингеру) в живом организме при тесном взаимодействии его с окружающей средой автоматически приводит к росту свободного энергетического потенциала.

    Замечание 2

    Если система «уклоняется» от постоянного равновесия, то она непременно должна в дальнейшем компенсировать увеличение энтропии другой энергией, с точки зрения науки — свободной энергией.

    Таким образом, живая природа пытается избегать роста энтропии, повышая ее значимость в окружающей среде при общении с ней живого организма.

    Энтропия представляет собой «омертвленную» энергия, которую невозможно превратить в стабильную работу.

    По законам классической термодинамики в изолированных, хаотичных системах теплота полностью рассеивается, следовательно, процесс идет от порядка к хаосу.

    Для живых микроорганизмов, как главных открытых систем, с научной точки зрения акт возникновения живого будет характеризоваться спонтанной трансформацией тепловой энергии необратимых функций в механическую целенаправленную работу создания высокоразвитой системы.

    Все это возможно осуществить посредством наличия свободной энергии.

    Следовательно, термодинамическая неравновесность существующих живых систем свидетельствует об их обязательной упорядоченности, так как полноценное равновесие соответствует хаосу и это в итоге приводит к смерти живого организма, когда его энтропия находится на максимальном уровне.

    В целом, энтропия выступает как мера неопределенности и нестабильности, усреднения поведения физических объектов, установления правильного состояния и даже определенного единообразия. Жизнедеятельность биологических систем доказывает, что они не хотят подчиняться закону термодинамики для изолированной среды.

    Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/entropiya_v_termodinamike/

    Энтропия идеального газа

    Энтропия в термодинамике

    В этой статье мы расскажем, что такое энтропия идеального газа и в чем заключается ее физический смысл. Начнем с определения.

    Определение 1

    Энтропия – это функция состояния системы (S) с дифференциалом в бесконечном обратимом процессе, равным dS=δQT.

    Параметр δQ обозначает элементарное тепло, которое сообщается системе. Соответственно, T – это общая температура системы.

    Если у системы в обратимом процессе изменяется знак энтропии, то это говорит о смене направления обмена теплом. Основная формула дает нам возможность найти, на сколько изменилась величина энтропии. Важно подчеркнуть, что она будет верной только в том случае, если процесс будет обратим.

    В чем состоит физический смысл энтропии

    Свойства идеального газа таковы, что с их помощью удобно пояснять физический смысл энтропии. Допустим, у нас есть один моль некоторого газа, для которого мы можем записать первое правило термодинамики (в дифференциальной форме):

    δQ=dU+pdV.

    Выполним деление левой и правой части выражения на температуру. У нас получится, что:

    δQT=dUT+pdVT=cμVdTT+pdVT.

    Здесь cμV=i2R. С помощью уравнения Менделеева-Клайперона мы можем выразить из него pT и получить:

    pV=RT→pT=RV.

    Подставляем это в исходное выражение:

    δQT=cмVdTT+RdVV=dcмVlnT+RlnV.

    Правая часть уравнения у нас получилась полностью дифференциальной, значит, и слева тоже должен быть полный дифференциал. Назовем его dS. С помощью одной из приведенных выше формул вычислим ∆S в изотермическом процессе. Если температура остается постоянной, то и внутренняя энергия системы также остается прежней. Получаем следующее:

    dS=RdlnV→∫(1)(2)dS=R∫(1)(2)dlnV=S2-S1=RlnV2V1.

    Нам известно, что объем, занимаемый газом в равновесном состоянии, связан с количеством пространственных микросостояний частиц формулой Г0=N!N-n! (Г0 – общее количество микросостояний, N – количество ячеек, в которые помещены частица системы, n – общее количество частиц). Поскольку исходный объем идеального газа равен одному молю, то n=NA. Выведем формулу объемов V1 и V2 из выражения выше. Она будет иметь следующий вид:

    Г01=N1!N1-NA!, Г02=N2!N2-NA!.

    Здесь N1=V1l3, N1=V2l3, l=10-10 м.

    Для дальнейших преобразований нам потребуется формула Стирлинга (для больших n, n!≈N2N1NA=V2V1NA):

    Г02Г01≈N2N1NA=V2V1NA.

    Берем логарифм от этого выражения и получаем:

    lnV2V1=1NAlnГ02Г01.

    Таким образом, S2-S1=RlnV2V1=RNAlnГ02Г01=klnГ02-klnГ01.

    Здесь параметр k обозначает постоянную Больцмана.

    Формула Больцмана

    Сам вид формулы энтропии говорит нам о том, что она может быть определена через логарифм числа микросостояний, образующих макросостояние, рассматриваемое как S=klnГ.

    Выведенное выше равенство называется формулой Больцмана. Она позволяет сделать вывод, что чем больше упорядоченность системы, тем меньше в ней микросостояний, с помощью которых достигается макросостояние. Поэтому энтропия является мерой упорядоченности системы. Максимальная энтропия достигается в состоянии упорядоченности.

    Энтропия является аддитивной величиной. При S=const процесс называется изоэнтропийным. Если система является физически однородной, то ее энтропия выражается как функция двух независимых параметров состояния (масса считается постоянной).

    Пример 1

    Условие: есть идеальный газ, в котором происходит изотермическое расширение, при этом объем меняется от V1 до V1. При этом температура системы в первом процессе равна T1, а во втором T2, причем вторая температура меньше, чем первая. Определите, как будет меняться значение энтропии.

    Решение

    Зная основное определение энтропии и обратимость процессов в идеальном газе, мы можем использовать формулу для вычисления ∆S при постоянной температуре.

    ∆S=∫(1)(2)δQT=1T∫(1)(2)δQ.

    Идеальный газ в физике – это понятие, подразумевающее, что мы можем пренебречь взаимодействием между его молекулами. Если V=const, то работа идеального газа равна 0.

    Обратимся к первому правилу термодинамики, зная, что при постоянной температуре dU=0:

    δQ=pdV.

    Выражаем давление из уравнения Менделеева-Клайперона:

    pV=νRT→p=vRTV.

    Подставляем в исходную формулу и получаем:

    ∆S=1T∫(1)(2)нRTVdV=RTнT∫(1)(2)dVV=vRlnV2V1

    Ответ: поскольку не существует зависимости энтропии от температуры в изотермическом процессе, то в заданных условиях оба процесса будут иметь одинаковую энтропию.

    Пример 2

    Условие: на рисунке схематично обозначены обратимые процессы. Сопоставьте, какие количества теплоты будут поглощаться системой в ходе обеих процессов.

    Решение

    Данная задача решается на основе определения энтропии для обратимых процессов.

    dS=δQT.

    Выражаем показатель δQ из уравнения, выведенного ранее, и получаем:

    δQ=TdS.

    Для определения объема подведенного к системе тепла нам нужно проинтегрировать выражение:

    ∆Q=∫S1S2TdS.

    Теперь, используя геометрическое свойство интеграла (по площади) и рисунок, мы можем подытожить, что площадь, ограниченная кривой процесса, изоэнтропами, перпендикулярными S, и осью S, больше площади для процесса 2, значит, QI>QII.

    Ответ: в первом процессе поглощается большее количество теплоты, чем в во втором.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

    Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/termodinamika/entropija-idealnogo-gaza/

    Booksm
    Добавить комментарий