Ентропія в термодинаміці — це що таке? Опис, теорія та приклади
Опубликованно 01.11.2018 06:54
Поняття про ентропії в термодинаміці — це досить важливий і в той же час непросте питання, оскільки існують різні точки зору для її інтерпретації. Опишемо ентропію докладно в статті, а також наведемо приклади процесів, де вона грає ключову роль. Значення поняття
Розмова про ентропії логічніше всього почати з її визначення. Отже, ентропія в термодинаміці — це екстенсивна фізична величина, яка відображає число можливих мікростанів описуваної макросистеми. Іншими словами, ентропія відображає рівень організації: чим більш неоднорідною є система, тим менше її ентропія.
Важливо розуміти два основні властивості ентропії: Екстенсивність. Тобто ця величина залежить від розмірів системи і маси речовини, яка в ній присутній. Наприклад, якщо порахувати кількість ентропії для кожного з двох судин з воднем обсягами V1 і V2, в яких газ знаходиться при деякому тиску P і має температуру T, то в результаті з'єднання цих судин між собою загальна ентропія дорівнює їх сумі. Ентропія в термодинаміці — це функція стану системи. Це означає, що говорити про цю величину можна тільки тоді, коли система знаходиться в термодинамічній рівновазі. При цьому ентропія не залежить від історії еволюції цієї системи, тобто абсолютно не важливо, яким способом вона прийшла до цього термодинамічному станом. Що визначає ентропія?
Іншими словами, для чого вона була введена в фізику? Щоб відповісти на це питання, досить розглянути простий експеримент: всім відомо, що якщо взяти холодний прут металу і привести його в контакт з таким самим прутом, але нагрітим до деякої температури, то з плином часу гаряче тіло буде охолоджуватися, а холодне – нагріватися. Ніхто ніколи не спостерігав зворотний процес. Напрямок протікання розглянутого явища описується з використанням концепції "ентропія".
Будь-яка ізольована система, надана самої собі, завжди прагне зайняти найбільш ймовірне стан. Цей стан характеризується хаотичним і однорідним розподілом елементів, що складають систему, і розуміється як стан з максимальним значенням ентропії. Статистична інтерпретація
В кінці XIX — початку XX століття австрійський фізик Людвіг Больцман розвинув новий напрям у фізиці, що отримало назву статистична механіка. У цій новій науці він ввів поняття про абсолютної ентропії, яку вчений представив у вигляді: S = k*ln(?), де k — константа Больцмана, ? — кількість можливих станів в системі.
Зазначимо, що у фізиці абсолютне значення ентропії мало кого цікавить, оскільки всі математичні формули, які враховують розглядається фізичну величину, включають в себе саме її зміна. Оборотні процеси в термодинаміці
Ще одне визначення ентропії в термодинаміці — це зв'язок з енергією, яка ніяким способом не може бути переведена в корисну роботу, наприклад, в механічну. Відомо, що ця енергія існує у вигляді тепла в даній системі, але для практичного використання вона непридатна.
Наприклад, двигун внутрішнього згоряння працює з деяким ККД (багато людей, можливо, про це ніколи не замислювалися, але коефіцієнт корисної дії двигунів, які знаходяться всередині їх автомобілів, складає всього близько 20-25 %), який ніколи не буде дорівнює 100 %, якими б досконалими не були технології. Це відбувається тому, що в результаті термодинамічного процесу згоряння палива частина енергії (велика частина в розглянутому випадку) втрачається на розігрів деталей і на тертя. Процес згоряння палива — яскравий приклад збільшення ентропії.
У середині XIX століття німецький учений Рудольф Клаузіус, аналізуючи різні термодинамічні процеси, увів поняття "ентропія системи" і зміг його виразити математично у вигляді наступного виразу: dS = ?Q/T, тут dS — зміна ентропії системи, ?Q — зміна енергії, яке відбулося в результаті даного процесу, T — абсолютна температура. Звідси отримуємо, що одиницею вимірювання dS в СІ є Дж/К.
Наведена формула ентропії в термодинаміці справедлива тільки для оборотних процесів, тобто таких переходів, які можуть відбуватися як у прямому, так і зворотному напрямку, якщо змінити зовнішні умови. Наприклад, якщо стиснути газ, який знаходиться в герметичному циліндрі за допомогою зовнішньої сили, а потім припинити дію цієї сили, то газ відновить свій первинний об'єм (стан).
Таким чином, згідно з рівнянням Клаузіуса, зміну ентропії під час оборотного процесу дорівнює відношенню зміни енергії між початковим і кінцевим станами до абсолютної температури. Ізотермічний та адіабатичний оборотні процеси
Ізотермічний процес — це окремий випадок, який передбачає, що кінцеве і початкове стану системи мають однакову температуру. Згідно з формулою Клаузиуса, в результаті оборотного ізотермічного процесу зміна ентальпії системи буде точно дорівнює кількості тепла, яким вона обмінялася з навколишнім середовищем, поділеному на температуру.
Прикладом такого процесу є розширення ідеального газу за рахунок підведення до нього теплоти ззовні. Вся підводиться енергія в цьому випадку витрачається на виконання механічної роботи (розширення), а температура газу при цьому залишається постійною.
Розглядаючи концепцію ентропії, цікаво також згадати про адіабатичному процесі, під яким розуміють будь-який перехід в ізольованій системі, тобто в ній зберігається внутрішня енергія. Якщо цей процес є оборотним, то згідно з формулою dS = ?Q/T = 0, оскільки ?Q = 0 (немає обміну теплом з навколишнім середовищем). Незворотні процеси
Розглянуті приклади різних процесів можуть тільки в грубому наближенні вважатися оборотними, оскільки в них завжди існують різні теплові втрати. У нашій Всесвіту практично всі процеси є необоротними. Для них сформульовано 2 закон термодинаміки, ентропія відіграє важливу роль. Наведемо формулу: dS??Q/T. Про що говорить цей вираз: згідно з другим законом термодинаміки, ентропія в результаті абсолютно будь-якого необоротного процесу завжди збільшується (див. знак ">" у виразі).
Таким чином, подібно фактом, що енергія не може бути створена з нічого і не може зникати безслідно, другий закон термодинаміки свідчить, що ентропія може бути створена, але не може бути знищена (постійно збільшується). Історична довідка
Як було вище сказано, про ентропії фізики стали замислюватися тільки в середині XIX століття. Причиною цьому послужив той факт, що перші парові машини мали надзвичайно низьким ККД (до початку XVIII століття типовим значенням ККД для цих машин було 2 %). Тобто ентропія спочатку розумілася як "розпорошення" теплової енергії під час термодинамічного процесу.
Саме слово "ентропія", введене Клаузиусом, з давньогрецької мови означає "еволюція, перетворення", тим самим підкреслюється його важливість для опису процесів, що протікають. Ентропія і теплова смерть Всесвіту
Згідно 2-го початку термодинаміки, ентропія в нашій Всесвіту постійно збільшується. Це означає, що в кінці кінців вона досягне свого максимального значення, коли речовина однорідно розподілиться і температура вирівняється у всьому просторі. Така гіпотеза була висунута тим же Клаузиусом і отримала назву теплової смерті Всесвіту.
Реалізується вона в дійсності, залежить від області застосування термодинаміки. Справа в тому, що на мікрорівні, коли розглядаються окремі молекули і атоми, ентропії в термодинаміці — це безглузда величина, так як самі закони цієї гілки фізики перестають працювати. Передбачається, що аналогічні обмеження їх застосування існують, коли масштаби системи досягають нескінченних значень, тобто розмірів Всесвіту. Автор: Валерій Савельєв 15 Вересня 2018
Категория: Студентам