Энтропия

Энтропия, вероятно, наиболее неправильно понята из всех термодинамических понятий. В то время как температура и давление легко измеряются, а объем системы очевиден, энтропия не может наблюдаться напрямую, а приборов для измерения энтропии нет.

Энтропия

Мера тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы. Поскольку работа получается из упорядоченного молекулярного движения, количество энтропии также является мерой молекулярного беспорядка или случайности системы.

Термодинамика имеет дело с отношением между той маленькой частью вселенной, в которой мы заинтересованы, системой и остальной частью вселенной, окружающей средой. Термодинамические свойства зависят от текущего состояния системы, но не от ее предыдущей истории и являются либо таковыми, что их значения зависят от количества вещества, входящего в систему, например, объем или такими, что их значения не зависят от количества вещества, составляющего систему, например, температура и давление.

Энтропия является термодинамическим свойством, таким как температура, давление и объем, но, в отличие от них, она не может быть легко визуализирована.

История введения энтропии

Концепция энтропии возникла из дискуссии об эффективности тепловых двигателей в середине XIX века. Много спорных вопросов возникало с циклом Карно и различными типами расширения идеальных и реальных газов, потому что не было понимания, почему они это делают.
В ранних работах приняли подход, определяющий изменение энтропии, $ΔS$, с помощью уравнения:

$ΔS = Q_{обратимая} / T (1)$,

где $Q$ – количество теплоты, а $Т$ – термодинамическая температура. Тем не менее, более распространенным сегодня считается подход, для нахождения энтропии и объяснения ее с точки зрения степени беспорядка в системе и $ΔS$ определяется:

$ΔS = - Δ H / T (2)$,

где $ΔН$ представляет собой изменение энтальпии. Этот более современный подход имеет два недостатка. Сначала единицами энтропии были Джоули на Кельвин, но степень беспорядка не имеет единиц. Во-вторых, уравнение (2), определяющее изменение энтропии не признает, что система должна находиться в равновесии, чтобы она была действительной.

Наряду с нахождением энтропии важно учитывать три закона термодинамики.

Первый закон касается сохранения энергии, второй закон касается направления, в котором происходят спонтанные реакции, а третий закон устанавливает, что при абсолютном нуле все чистые вещества имеют одинаковую энтропию, которая, как принято, быть ноль.

В классических терминах, системы в абсолютном нуле не имеют энергии, и атомы или молекулы будут плотно упакованы вместе.

Когда энергия в любой форме поступает в систему, ее молекулы начинают вращаться, вибрировать и перемещаться, что наблюдается по мере повышения температуры.

Повышение температуры, вызванное заданным количеством тепла, будет различным для разных веществ и зависит от теплоемкости вещества.

Обратимые и необратимые процессы

Кусок льда, помещенный на горячую плиту, наверняка тает, а плита охлаждается. Такой процесс называется необратимым, потому что никакие небольшие изменения не заставят расплавленную воду превратиться в лед, в то время как печь нагревается. Напротив, глыба льда, помещенная в ванну с ледяной водой, будет либо таять немного больше, либо немного замерзать, в зависимости от того, добавлено ли небольшое количество тепла в систему или вычтено из нее. Такой процесс является обратимым, поскольку для изменения его направления от прогрессивного замораживания к прогрессирующему оттаиванию требуется только бесконечно малое количество тепла.

Не знаете, сколько стоит статья по физике на заказ? Обратитесь к нашим экспертам!

Тест по теме «Энтропия»