Термодинамик системийн макроскопийн параметрүүд нь даралт, эзэлхүүн, температурыг агуулдаг. Гэсэн хэдий ч өөр нэг чухал зүйл бий физик хэмжигдэхүүн, энэ нь термодинамик систем дэх төлөв байдал, үйл явцыг тодорхойлоход хэрэглэгддэг. Үүнийг энтропи гэж нэрлэдэг.
Энтропи гэж юу вэ
Энэ ойлголтыг анх 1865 онд Германы физикч Рудольф Клаузиус гаргажээ. Тэрээр энергийн эргэлт буцалтгүй зарцуулалтын хэмжүүрийг тодорхойлдог термодинамик системийн төлөвийн функцийг энтропи гэж нэрлэсэн.
Энтропи гэж юу вэ?
Энэ асуултад хариулахын өмнө "багасгасан дулаан" гэсэн ойлголттой танилцъя. Системд явагдаж буй аливаа термодинамик процесс нь системийн нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих тодорхой тооны шилжилтээс бүрддэг. Дулаан бууруулсан дахь дулааны хэмжээний харьцаа гэж нэрлэдэг изотерм процессэнэ дулаан дамжуулалт үүсэх температурт.
Q" = Q/T .
Аливаа нээлттэй термодинамик процессын хувьд нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих үед өөрчлөгдөх нь буурсан дулааны нийлбэртэй тэнцүү байх системийн функц байдаг. Клаузиус энэ функцийг нэрлэсэн " энтропи "гэж бичгээр тэмдэглэв С , болон харьцаа нийт тоодулаан ∆Q хэмжээ хүртэл үнэмлэхүй температурТ нэрлэсэн энтропийн өөрчлөлт .
Клаузиусын томъёо нь энтропийн утгыг өөрөө тодорхойлдоггүй, зөвхөн түүний өөрчлөлтийг тодорхойлдог гэдгийг анхаарцгаая.
Термодинамик дахь "эрчим хүчний эргэлт буцалтгүй зарцуулалт" гэж юу вэ?
Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн нэг томъёолол нь дараах байдалтай байна. Үйл явц нь боломжгүй бөгөөд цорын ганц үр дүн нь системд хүлээн авсан бүх дулааныг ажил болгон хувиргах явдал юм". Өөрөөр хэлбэл, дулааны нэг хэсэг нь ажил болж хувирч, зарим нь гадагшилдаг. Энэ үйл явц нь эргэлт буцалтгүй байдаг. Дараа нь сарнисан энерги нь ажил хийхээ больсон. Жишээлбэл, жинхэнэ дулааны машинд бүх дулаан байдаггүй. ажлын биед шилжүүлсэн хэсэг нь түүнийг халааж, гадаад орчинд тархдаг.
Карногийн мөчлөгийн дагуу ажилладаг хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрт бүх бууруулсан дулааны нийлбэр нь тэг байна. Энэ мэдэгдэл нь ямар ч бараг статик (буцах) мөчлөгийн хувьд үнэн юм. Ийм үйл явц нь нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих хэдэн шилжилтээс бүрдэх нь хамаагүй.
Хэрэв бид дурын термодинамик процессыг хязгааргүй жижиг хэсгүүдэд хуваах юм бол ийм хэсэг бүрийн бууруулсан дулаан нь тэнцүү байх болно. δQ/T . Бүрэн дифференциалэнтропи dS = δQ/T .
Энтропи гэдэг нь дулааны эргэлт буцалтгүй ялгарах чадварыг илэрхийлдэг хэмжүүр юм. Түүний өөрчлөлт нь дулааны хэлбэрээр хүрээлэн буй орчинд хэр их энерги санамсаргүй тархаж байгааг харуулдаг.
Дулаан солилцдоггүй хаалттай тусгаарлагдсан системд орчин, буцах процессын үед энтропи өөрчлөгддөггүй. Энэ нь дифференциал гэсэн үг юм dS = 0 . Бодит ба эргэлт буцалтгүй үйл явцын хувьд дулаан дамжуулалт нь дулаан биехүйтэнд. Ийм процесст энтропи үргэлж нэмэгддэг ( dS ˃ 0 ). Үүний үр дүнд энэ нь термодинамикийн үйл явцын чиглэлийг заадаг.
Клаузиусын томьёог гэж бичсэн dS = δQ/T , зөвхөн бараг статик процессуудад хүчинтэй. Эдгээр нь бие биенээ тасралтгүй дагаж мөрддөг тэнцвэрт байдлын цуваа бүхий идеалжуулсан процессууд юм. Бодит термодинамик процессын судалгааг хялбарчлах зорилгоор тэдгээрийг термодинамикийн шинжлэх ухаанд нэвтрүүлсэн. Цагийн аль ч мөчид бараг статик систем нь термодинамикийн тэнцвэрт байдалд байдаг гэж үздэг. Энэ процессыг мөн хагас тэнцвэрт байдал гэж нэрлэдэг.
Мэдээжийн хэрэг, ийм үйл явц байгальд байдаггүй. Эцсийн эцэст, системийн аливаа өөрчлөлт үүнийг эвддэг тэнцвэрт байдал. Түүнд янз бүрийн шилжилтийн үйл явц, тайвшрах үйл явц үүсч, системийг тэнцвэрт байдалд буцаахыг хичээдэг. Гэхдээ нэлээд удаан явагддаг термодинамик процессыг бараг статик гэж үзэж болно.
Практикт термодинамикийн олон асуудал байдаг бөгөөд тэдгээрийг шийдвэрлэхэд нарийн төвөгтэй тоног төхөөрөмж бий болгох, хэдэн зуун мянган атмосферийн даралтыг бий болгох, маш их температурыг хадгалах шаардлагатай байдаг. өндөр температурудаан хугацаагаар. Мөн бараг статик процессууд нь ийм бодит үйл явцын энтропийг тооцоолох, энэ эсвэл тэр процесс хэрхэн үргэлжлэхийг урьдчилан таамаглах боломжийг олгодог бөгөөд үүнийг практикт хэрэгжүүлэхэд маш хэцүү байдаг.
Энтропийн буурдаггүй хууль
Энтропийн үзэл баримтлалд суурилсан термодинамикийн хоёр дахь хуулийг дараах байдлаар томъёолсон болно. Тусгаарлагдсан системд энтропи буурдаггүй " Энэ хуулийг бас нэрлэдэг энтропийн буурдаггүй хууль.
Хэзээ нэгэн цагт хаалттай системийн энтропи дээд хэмжээнээс ялгаатай байвал ирээдүйд энэ нь зөвхөн хүрэх хүртэл л өсөх боломжтой. хамгийн их утга. Систем тэнцвэрт байдалд хүрнэ.
Клаузиус Ертөнц бол хаалттай систем гэдэгт итгэлтэй байсан. Хэрэв тийм бол түүний энтропи хамгийн дээд хэмжээндээ хүрэх хандлагатай байдаг. Энэ нь хэзээ нэгэн цагт түүний доторх бүх макроскоп үйл явц зогсох болно гэсэн үг юм. халуун үхэл" Гэвч Америкийн одон орон судлаач Эдвин Пауэлл Хаббл орчлон ертөнц тэлж байгаа тул тусгаарлагдсан термодинамик систем гэж нэрлэгдэх боломжгүй гэдгийг нотолсон. Зөвлөлтийн физикчАкадемич Ландау хувьсах таталцлын талбарт оршдог тул энтропийн буурдаггүй хуулийг орчлон ертөнцөд хэрэглэх боломжгүй гэж үзсэн. Орчин үеийн шинжлэх ухаанМанай орчлон ертөнц хаалттай систем мөн үү, үгүй юу гэсэн асуултад хараахан хариулж чадахгүй байна.
Больцманы зарчим
Людвиг Больцман
Аливаа хаалттай термодинамик систем нь тэнцвэрт байдалд орох хандлагатай байдаг. Түүнд тохиолддог бүх аяндаа явагдах үйл явц нь энтропийн өсөлт дагалддаг.
1877 онд Австрийн онолын физикч Людвиг Больцман энтропитэй холбоотой. термодинамик төлөвсистемийн бичил төлөвийн тоогоор. Энтропийн утгыг тооцоолох томъёог Германы онолын физикч Макс Планк хожим гаргаж авсан гэж үздэг.
С = к · lnВ ,
Хаана к = 1.38·10 −23 Ж/К - Больцман тогтмол; В - өгөгдсөн макростатик төлөвийг хэрэгжүүлэх системийн микро төлөвийн тоо, эсвэл энэ төлөвийг хэрэгжүүлэх арга замуудын тоо.
Энтропи нь зөвхөн системийн төлөв байдлаас хамаардаг бөгөөд систем энэ төлөвт хэрхэн шилжсэнээс хамаардаггүй гэдгийг бид харж байна.
Физикчид энтропи нь термодинамик системийн эмх замбараагүй байдлын зэргийг тодорхойлдог хэмжигдэхүүн гэж үздэг. Аливаа термодинамик систем нь өөрийн параметрүүдийг хүрээлэн буй орчинтойгоо тэнцвэржүүлэхийг үргэлж хичээдэг. Тэр энэ байдалд аяндаа ирдэг. Мөн тэнцвэрт байдалд хүрэх үед систем ажиллахаа больсон. Үүнийг эмх замбараагүй гэж үзэж болно.
Энтропи нь системийн хоорондох дулаан солилцооны термодинамик процессын чиглэлийг тодорхойлдог гадаад орчин. Хаалттай термодинамик системд аяндаа үүсэх процесс аль чиглэлд явагдахыг тодорхойлдог.
Байгальд тохиолддог бүх үйл явц эргэлт буцалтгүй байдаг. Тиймээс тэд энтропи нэмэгдэх чиглэлд урсдаг.
Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь хэд хэдэн томъёололтой байдаг. Клаусиусын томъёолол: Бага температуртай биеэс өндөр температуртай бие рүү дулаан дамжуулах үйл явц боломжгүй юм.
Томсоны томъёолол: үйл явц нь боломжгүй бөгөөд үр дүн нь тодорхой нэг биеэс авсан дулааны улмаас ажлын гүйцэтгэл байх болно. Энэ томъёолол нь хувиргалтанд хязгаарлалт тавьдагдотоод энерги
механик руу. Зөвхөн хүрээлэн буй орчноос дулаан хүлээн авах замаар ажил хийдэг машин (хоёр дахь төрлийн мөнхийн хөдөлгөөнт машин) бүтээх боломжгүй юм. Больцманы томъёолол:Энтропи
- Энэ бол тогтолцооны эмгэгийн үзүүлэлт юм. Энтропи өндөр байх тусам системийг бүрдүүлэгч материаллаг хэсгүүдийн хөдөлгөөн илүү эмх замбараагүй болно. Усны жишээн дээр хэрхэн ажилладагийг харцгаая. Шингэн төлөвт ус нь нэлээд эмх замбараагүй бүтэцтэй байдаг, учир нь молекулууд бие биенээсээ чөлөөтэй хөдөлдөг бөгөөд тэдгээрийн орон зайн чиг баримжаа нь дур зоргоороо байж болно. Мөс бол өөр асуудал юм - үүн дотор усны молекулууд эмх цэгцтэй, болор торонд багтдаг. Больцманы термодинамикийн хоёр дахь хуулийн томъёолол нь мөс хайлж, ус болж хувирсан (энэ процесс нь дарааллын зэрэг буурч, энтропи ихсэх замаар) хэзээ ч уснаас дахин төрөхгүй гэж заасан байдаг хаалттай системд буурах боломжгүй, өөрөөр хэлбэл гаднах эрчим хүчний хангамжийг хүлээн авдаггүй системд. (Термодинамикийн гурав дахь хуульНернстийн теорем
) нь температур үнэмлэхүй тэг рүү ойртох үед энтропийн зан төлөвийг тодорхойлдог физик зарчим юм. Энэ бол ихээхэн хэмжээний туршилтын өгөгдлүүдийг нэгтгэн дүгнэсний үндсэн дээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн термодинамикийн постулатуудын нэг юм.
Термодинамикийн гурав дахь хуулийг дараах байдлаар томъёолж болно. "Энтропийн өсөлтүнэмлэхүй тэг температур хандлагатай байдагхязгаарлагдмал хязгаар.
"Системийн тэнцвэрт байдлаас үл хамааран"
ямар нэгэн термодинамик параметр хаана байна.
Термодинамикийн гурав дахь хууль нь зөвхөн тэнцвэрт байдалд хамаарна.
Термодинамикийн хоёр дахь хуульд үндэслэн энтропийг зөвхөн дурын нэмэлт тогтмол хүртэл тодорхойлж болно (өөрөөр хэлбэл энтропи өөрөө тодорхойлогддоггүй, зөвхөн түүний өөрчлөлтийг тодорхойлдог):
Термодинамикийн гуравдахь хуулийг ашиглан энтропийг нарийн тодорхойлох боломжтой. Энэ тохиолдолд үнэмлэхүй тэг температурт тэнцвэрийн системийн энтропи нь тэгтэй тэнцүү гэж тооцогддог.
Идеал хийн энтропийн өөрчлөлтийн тооцоолсон илэрхийлэлийг олж авахын тулд бид термодинамикийн нэгдүгээр хуулийг ашигладаг бөгөөд үүнд энтальпийн өөрчлөлтийг ашиглан дулааныг тодорхойлдог.
Тодорхой хоёр төлөвт байгаа идеал хийн энтропийн ялгааг (4.59) илэрхийллийг нэгтгэснээр олж болно.
Идеал хийн энтропийн үнэмлэхүй утгыг тодорхойлохын тулд түүний тоолох эхлэлийг төлөвийн аль ч хос дулааны параметрээр тогтоох шаардлагатай. Жишээлбэл, (4.60) тэгшитгэлийг ашиглан T 0 ба P 0 үед s 0 =0-ийг авч, бид олж авна.
|
|
Илэрхийлэл (4.62) нь идеал хийн энтропи нь төлөвийн параметр болохыг харуулж байна, учир нь үүнийг аль ч хос төлөвийн параметрээр тодорхойлох боломжтой. Хариуд нь энтропи нь өөрөө төлөв байдлын параметр тул үүнийг ямар ч бие даасан төлөвийн параметртэй хамт ашигласнаар бусад хийн төлөвийн параметрүүдийг тодорхойлох боломжтой.
Энтропи бол термодинамикийн шинжлэх ухаанд нэвтэрсэн ойлголт юм. Энэ утгыг ашиглан эрчим хүчний зарцуулалтын хэмжүүрийг тодорхойлно. Аливаа систем нь дулаан ба хоёрын хооронд үүсдэг сөргөлдөөнийг мэдэрдэг хүчний талбар. Температурын өсөлт нь захиалгын зэрэг буурахад хүргэдэг. Эмх замбараагүй байдлын хэмжигдэхүүнийг тодорхойлохын тулд энтропи хэмээх хэмжигдэхүүнийг нэвтрүүлсэн. Энэ нь хаалттай болон нээлттэй системийн аль алинд нь эрчим хүчний урсгалын солилцооны түвшинг тодорхойлдог.
Тусгаарлагдсан хэлхээн дэх энтропийн өөрчлөлт нь дулаан нэмэгдэхийн хэрээр нэмэгддэг. Эмх замбараагүй байдлын энэ хэмжүүр нь термодинамик тэнцвэрт байдлын шинж чанар бүхий төлөвт хамгийн их утгад хүрдэг бөгөөд энэ нь хамгийн эмх замбараагүй байдаг.
Хэрэв систем нээлттэй, нэгэн зэрэг тэнцвэргүй бол энтропийн өөрчлөлт буурах чиглэлд явагдана. Энэ хувилбарт энэ хэмжүүрийн утгыг томъёогоор тодорхойлно. Үүнийг авахын тулд хоёр хэмжигдэхүүнийг нэгтгэнэ.
- гадаад орчинтой дулаан, бодисын солилцооны улмаас үүсдэг энтропийн урсгал;
- системийн доторх эмх замбараагүй хөдөлгөөний индексийн өөрчлөлтийн хэмжээ.
Энтропийн өөрчлөлт нь биологийн, химийн болон физик үйл явц. Энэ үзэгдэл тодорхой хурдтай явагддаг. Энтропийн өөрчлөлт нь эерэг утгатай байж болно - энэ тохиолдолд хүн амын шилжилт хөдөлгөөн үүсдэг энэ үзүүлэлтгадаад орчноос системд . Энтропийн өөрчлөлтийг харуулсан утгыг хасах тэмдгээр тодорхойлсон тохиолдол байж болно. Энэ тоон утгаэнтропийн гадагшлах урсгалыг илтгэнэ. Систем нь байж болно Энэ тохиолдолд үйлдвэрлэсэн энтропийн хэмжээг энэ үзүүлэлтийн гадагшлах урсгалаар нөхдөг. Ийм нөхцөл байдлын жишээ бол төлөв байдал юм Энэ нь тэнцвэргүй, гэхдээ нэгэн зэрэг хөдөлгөөнгүй байдаг. Аливаа организм энтропи үүсгэдэг сөрөг утга, түүний орчноос. Үүнээс гаргаж авсан эмх замбараагүй байдлын хэмжээ нь хүлээн авсан хэмжээнээс ч давж магадгүй юм.
Энтропи үйлдвэрлэл нь аль ч тохиолдолд тохиолддог нарийн төвөгтэй системүүд. Хувьслын явцад тэдгээрийн хооронд мэдээлэл солилцдог. Жишээлбэл, түүний молекулуудын орон зайн зохион байгуулалтын талаархи мэдээлэл алдагдах үед. Энтропи нэмэгдэх үйл явц байдаг. Хэрэв шингэн хөлдвөл молекулын байрлал дахь тодорхойгүй байдал буурна. IN энэ тохиолдолдэнтропи буурдаг. Шингэнийг хөргөх нь түүний дотоод энерги буурахад хүргэдэг. Гэсэн хэдий ч температур нь тодорхой утгад хүрэх үед уснаас дулааныг зайлуулахаас үл хамааран бодисын температур өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Энэ нь талстжилтын шилжилт эхэлдэг гэсэн үг юм. Энэ төрлийн изотерм процессын үед энтропийн өөрчлөлт нь системийн эмх замбараагүй байдлын хэмжигдэхүүнийг бууруулж дагалддаг.
Бодисын хайлуулах дулааныг зөвшөөрдөг практик арга бол ажил гүйцэтгэх явдал бөгөөд түүний үр дүн нь хатуурах диаграмм юм. Өөрөөр хэлбэл, судалгааны үр дүнд олж авсан мэдээлэлд үндэслэн тухайн бодисын температурын цаг хугацааны хамаарлыг харуулах муруйг зурах боломжтой. Үүний зэрэгцээ гадаад нөхцөлөөрчлөгдөөгүй байх ёстой. Өгөгдлийг боловсруулах замаар энтропийн өөрчлөлтийг тодорхойлох боломжтой график дүрстуршилтын үр дүн. Ийм муруй дээр шугам нь хэвтээ цоорхойтой хэсэг үргэлж байдаг. Тохирох температур энэ сегмент, нь хатуурах температур юм.
-аас шилжилт дагалддаг аливаа бодисын өөрчлөлт хатуу-тэй тэнцүү ба эсрэгээр орчны температурт шингэн рүү шилжихийг эхний төрлийн фазын өөрчлөлт гэж нэрлэдэг. Энэ тохиолдолд системийн нягтрал, түүнчлэн түүний энтропи өөрчлөгддөг.
Энтропи
Системийн энтальпийн өөрчлөлт нь аяндаа хэрэгжих цорын ганц шалгуур болж чадахгүй химийн урвал, учир нь эндотермик олон процессууд аяндаа явагддаг. Үүнийг зарим давс (жишээ нь, NH 4NO 3) усанд уусгаж, уусмалын мэдэгдэхүйц хөргөлттэй хамт үзүүлэв. Илүү эмх цэгцтэй байдлаас бага эмх замбараагүй (илүү эмх замбараагүй) төлөв рүү аяндаа шилжих чадварыг тодорхойлдог өөр нэг хүчин зүйлийг харгалзан үзэх шаардлагатай.
Энтропи (С) нь системийн эмх замбараагүй байдлын хэмжүүр болдог термодинамик функц юм. Эндотермик процесс явагдах боломж нь энтропийн өөрчлөлттэй холбоотой, учир нь тусгаарлагдсан системүүдаяндаа явагдах процессын энтропи Δ-ийг нэмэгдүүлнэ С > 0 (термодинамикийн хоёр дахь хууль).
Л.Больцман энтропийг системийн төлөвийн (эмх замбараагүй байдлын) термодинамик магадлал гэж тодорхойлсон. В. Систем дэх бөөмсийн тоо их байдаг тул (Авогадрогийн тоо Н A = 6.02∙10 23), тэгвэл энтропи пропорциональ байна байгалийн логарифмсистемийн төлөвийн термодинамик магадлал В:
1 моль бодисын энтропийн хэмжээ нь хийн тогтмолын хэмжээтэй давхцдаг Рба Ж∙моль –1∙К –1-тэй тэнцүү байна. Энтропийн өөрчлөлт *) эргэлт буцалтгүй ба буцах процессуудад Δ харьцаагаар дамждаг С > Q / Тболон Δ С = Q / Т. Жишээлбэл, хайлалтын энтропийн өөрчлөлт нь хайлалтын дулаан (энтальпи) Δ-тэй тэнцүү байна. С pl = Δ Х pl/ Т pl Химийн урвалын хувьд энтропийн өөрчлөлт нь энтальпийн өөрчлөлттэй адил байна
*) хугацаа энтропиКлаусиус (1865) Q/T (бууруулсан дулаан) харьцаагаар нэвтрүүлсэн.
Энд Δ С° нь стандарт төлөвийн энтропитэй тохирч байна. Стандарт энтропи энгийн бодисуудтэгтэй тэнцүү биш байна. Бусад термодинамик функцүүдээс ялгаатай нь энтропи нь хамгийн тохиромжтой талст биеүнэмлэхүй тэг үед тэгтэй тэнцүү байна (Планкийн постулат), учир нь В = 1.
Тодорхой температурт бодис эсвэл биеийн системийн энтропи нь үнэмлэхүй үнэ цэнэ. Хүснэгтэнд 4.1 стандарт энтропийг харуулав С° зарим бодис.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Хүснэгт 4.1. Зарим бодисын стандарт энтропи. |
Ширээн дээрээс 4.1 энтропи нь дараахь зүйлээс хамаарна.
- Бодисын нэгдсэн төлөв. Хатуугаас шингэн рүү, ялангуяа шингэн рүү шилжих үед энтропи нэмэгддэг хийн төлөв(ус, мөс, уур).
- Изотопын найрлага (H 2O ба D 2O).
- Молекулын жинижил төрлийн нэгдлүүд (CH 4, C 2H 6, n-C 4H 10).
- Молекулын бүтэц (n-C 4H 10, iso-C 4H 10).
- Кристал бүтэц(аллотропи) - алмаз, бал чулуу.
Эцэст нь, зураг. 4.3-т энтропи температураас хамаарах хамаарлыг харуулсан.
Тиймээс температур өндөр байх тусам систем нь эмх замбараагүй болох хандлагатай байдаг. Системийн энтропи ба температурын өөрчлөлтийн бүтээгдэхүүн ТΔ Сэнэ чиг хандлагыг хэмждэг ба гэж нэрлэдэг энтропийн хүчин зүйл.
"Химийн термодинамик. Энтропи" сэдвийн асуудал, туршилтууд
- Химийн элементүүд. Химийн элементийн шинж тэмдэг - Анхны химийн ойлголтуудба онолын ойлголтууд 8-9-р анги
Хичээл: 3 Даалгавар: 9 Тест: 1
§6 Энтропи
Дүрмээр бол систем нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих аливаа үйл явц нь эсрэг чиглэлд энэ процессыг явуулах боломжгүй байхаар явагддаг бөгөөд ингэснээр систем нь ижил завсрын төлөвөөр дамжин өнгөрч, хүрээлэн буй биетүүдэд ямар ч өөрчлөлт гарахгүй. . Энэ нь процессын явцад энергийн нэг хэсэг, тухайлбал, үрэлт, цацраг туяа гэх мэт нөлөөгөөр гадагшилдагтай холбоотой юм. Байгаль дахь бараг бүх үйл явц эргэлт буцалтгүй байдаг. Аливаа процесст тодорхой хэмжээний энерги алдагддаг. Эрчим хүчний зарцуулалтыг тодорхойлохын тулд энтропи гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлсэн. ( Энтропийн утга нь тодорхойлогддогсистемийн дулааны төлөв байдал ба биеийн өгөгдсөн төлөвийг хэрэгжүүлэх магадлалыг тодорхойлдог. Илүү магадлалтай өгөгдсөн төлөв, энтропи их байх тусмаа.) Байгалийн бүх үйл явц энтропийн өсөлтийг дагалддаг. Зөвхөн хамгийн тохиромжтой урвуу процесс явагдах тохиолдолд энтропи тогтмол хэвээр байна хаалттай систем, өөрөөр хэлбэл энэ системийн гаднах биетэй энергийн солилцоо байхгүй системд.
Энтропи ба түүний термодинамик утга:
Больцманы томъёолол:- энэ нь системийн төлөв байдлын функц бөгөөд эргэлт буцалтгүй үйл явц дахь хязгааргүй бага өөрчлөлт нь энэ процесст оруулсан дулааны хязгааргүй бага хэмжээний дулааныг нэвтрүүлсэн температуртай харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна.
Эцсийн буцаах процесст энтропийн өөрчлөлтийг дараах томъёогоор тооцоолж болно.
системийн анхны төлөв 1-ээс эцсийн төлөв 2 хүртэлх интегралыг авна.
Энтропи нь төлөв байдлын функц тул интегралын өмч болноЭнэ нь түүний тооцоолсон контурын (зам) хэлбэрээс хамааралгүй байх тул интеграл нь зөвхөн системийн эхний болон эцсийн төлөвөөр тодорхойлогддог.
- Аливаа урвуу процесст энтропийн өөрчлөлт 0 байна
(1)
- Энэ нь термодинамикийн хувьд батлагдсанСэргэлт буцалтгүй мөчлөгт орж буй систем нэмэгддэг
Δ С> 0 (2)
(1) ба (2) илэрхийлэл нь зөвхөн хаалттай системд хамаарах бөгөөд хэрэв систем нь гадаад орчинтой дулаан солилцдог бол түүнийСямар ч байдлаар биеэ авч явж болно.
(1) ба (2) харьцааг Клаузиусын тэгш бус байдал гэж илэрхийлж болно
ΔS ≥ 0
тэдгээр. Хаалттай системийн энтропи нь ихсэх (буцах боломжгүй үйл явцын хувьд) эсвэл тогтмол (буцах процессын хувьд) байж болно.
Хэрэв систем 1-р төлөвөөс 2-р төлөв рүү тэнцвэрт шилжилт хийвэл энтропи өөрчлөгдөнө
Хаана dUТэгээд δАтодорхой процесст зориулж бичсэн. Энэ томъёоны дагуу ΔСнэмэлт тогтмол хүртэл тодорхойлогддог. Физик утгаЭнэ нь энтропи өөрөө биш, харин энтропи хоорондын ялгаа юм. Идеал хийн процесс дахь энтропийн өөрчлөлтийг олъё.
тэдгээр. энтропийн өөрчлөлтС Δ С 1→2 1-р төлөвөөс 2-р төлөвт шилжих үед идеал хийн хэмжээ нь процессын төрлөөс хамаардаггүй.
Учир нь адиабат процессын хувьд δQ = 0, дараа нь Δ С= 0 => С= const , өөрөөр хэлбэл адиабат буцах үйл явцтогтмол энтропи үед тохиолддог. Тиймээс үүнийг изотропик гэж нэрлэдэг.
изотерм процесст (Т= const ; Т 1 = Т 2 : )
изохорик процесст (В= const ; В 1 = В 2 ; )
Энтропи нь аддитивийн шинж чанартай: системийн энтропи нь системд багтсан биетүүдийн энтропийн нийлбэртэй тэнцүү байна.С = С 1 + С 2 + С 3 + ... Молекулуудын дулааны хөдөлгөөн болон хөдөлгөөний бусад хэлбэрүүдийн чанарын ялгаа нь түүний санамсаргүй байдал, эмх замбараагүй байдал юм. Тиймээс дулааны хөдөлгөөнийг тодорхойлохын тулд молекулын эмгэгийн зэрэглэлийн тоон хэмжүүрийг нэвтрүүлэх шаардлагатай. Хэрэв бид тодорхой дундаж үзүүлэлт бүхий биеийн макроскопийн аливаа төлөвийг авч үзвэл энэ нь молекулуудын тархалтаар бие биенээсээ ялгаатай ойрын микро төлөвүүдийн тасралтгүй өөрчлөлтөөс өөр зүйл юм. өөр өөр хэсгүүдмолекулуудын хооронд тархсан эзэлхүүн ба энерги. Эдгээр тасралтгүй өөрчлөгдөж буй микро төлөвүүдийн тоо нь бүхэл системийн макроскопийн төлөв байдлын эмгэгийн түвшинг тодорхойлдог.wөгөгдсөн микро төлөвийн термодинамик магадлал гэж нэрлэдэг. Термодинамик магадлалwСистемийн төлөв гэдэг нь макроскопийн системийн өгөгдсөн төлөвийг хэрэгжүүлэх арга замуудын тоо эсвэл тухайн микро төлөвийг хэрэгжүүлдэг микро төлөвийн тоо (w≥ 1, ба математик магадлал ≤ 1 ).
Үйл явдлын гэнэтийн байдлын хэмжүүр болгон түүний магадлалын логарифмыг хасах тэмдгээр авахаар тохиролцов: төрийн гэнэтийн байдал = тэнцүү байна.-
Больцманы хэлснээр энтропиСсистемүүд болон термодинамик магадлалдараах байдлаар харилцан уялдаатай байна.
Хаана - Больцманы тогтмол (
). Тиймээс энтропи нь өгөгдсөн бичил төлөвийг хэрэгжүүлэх боломжтой төлөв байдлын тооны логарифмээр тодорхойлогддог. Энтропи нь t/d системийн төлөв байдлын магадлалын хэмжүүр гэж үзэж болно. Больцманы томъёо нь энтропид дараах статистик тайлбарыг өгөх боломжийг олгодог. Энтропи нь системийн эмх замбараагүй байдлын хэмжүүр юм. Үнэндээ, илүү илүү их тооӨгөгдсөн микротөлөвийг хэрэгжүүлдэг микро төлөв, энтропи төдий чинээ их байна. Системийн тэнцвэрийн төлөвт - системийн хамгийн их магадлалтай төлөв - микро төлөвийн тоо хамгийн их, энтропи нь мөн хамгийн их байдаг.
Учир нь Бодит процессууд эргэлт буцалтгүй байдаг бол хаалттай систем дэх бүх үйл явц нь түүний энтропийг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг гэж маргаж болно - энтропи нэмэгдүүлэх зарчим. Энтропийн статистик тайлбарт энэ нь хаалттай систем дэх процессууд микро төлөвийн тоог нэмэгдүүлэх чиглэлд, өөрөөр хэлбэл, магадлал багатай төлөвөөс илүү магадлалтай төлөв рүү, төлөвийн магадлал хамгийн их болох хүртэл явагддаг гэсэн үг юм.
§7 Термодинамикийн хоёрдугаар хууль
Термодинамикийн 1-р хууль нь энергийн хадгалалт ба энергийн хувирлын хуулийг илэрхийлдэг нь t/d процессын урсгалын чиглэлийг тогтоох боломжийг бидэнд олгодоггүй. Үүнээс гадна зөрчилддөггүй олон үйл явцыг төсөөлж болноIэхэнд t/d, энерги хадгалагддаг боловч байгальд биелдэггүй. Хоёр дахь эхлэлийн боломжит томъёолол t/d:
1) эргэлт буцалтгүй процессын үед хаалттай системийн энтропи нэмэгдэх хууль: хаалттай систем дэх эргэлт буцалтгүй аливаа процесс нь системийн энтропи Δ нэмэгдэх байдлаар явагддаг.С≥ 0 (эргэлт буцалтгүй үйл явц) 2) ΔС≥ 0 (С= 0 буцах боломжтой ба ΔСэргэлт буцалтгүй процессын хувьд ≥ 0)
Хаалттай системд тохиолддог процессуудад энтропи буурдаггүй.
2) Больцманы томъёоноос S =, тиймээс энтропийн өсөлт нь системийн магадлал багатай төлөвөөс илүү магадлалтай төлөв рүү шилжихийг хэлнэ.
3) Келвиний хэлснээр: дугуй процессыг хийх боломжгүй бөгөөд үүний цорын ганц үр дүн нь халаагуураас хүлээн авсан дулааныг түүнтэй тэнцэх ажил болгон хувиргах явдал юм.
4) Клаусиусын хэлснээр: дугуй хэлбэртэй үйл явц боломжгүй бөгөөд үүний цорын ганц үр дүн нь дулааныг бага халсан биеэс илүү халсан бие рүү шилжүүлэх явдал юм.
t/d системийг 0 К-д дүрслэхийн тулд Нернст-Планкийн теоремыг (t/d-ийн гуравдугаар хууль) ашигладаг: температур 0 К-д ойртох тусам тэнцвэрт байдалд байгаа бүх биеийн энтропи тэг болох хандлагатай байдаг.
Теоремоос Нернст-Планк үүнийг дагадагC p = C 0-д v = 0 TO
§8 Дулаан ба хөргөлтийн машин.
Карногийн мөчлөг ба түүний үр ашиг
Келвиний хэлснээр t/d-ийн хоёр дахь хуулийг томъёолсноор хоёр дахь төрлийн байнгын хөдөлгөөнт машин боломжгүй юм. ( Мөнхийн хөдөлгөөнт машин- энэ нь нэг дулааны эх үүсвэрийг хөргөх замаар ажилладаг үе үе ажилладаг хөдөлгүүр юм.)
Термостаттемпературыг өөрчлөхгүйгээр биетэй дулаан солилцох боломжтой t/d систем юм.
Дулааны хөдөлгүүрийн ажиллах зарчим: температуртай термостатаас Т 1 - халаагч, дулааны хэмжээг нэг мөчлөгт арилгадагQ 1 , мөн температур бүхий термостат Т 2 (Т 2 < Т 1) - хөргөгчинд дулааны хэмжээг нэг мөчлөгт шилжүүлдэгQ 2 , ажил дуусч байхад А = Q 1 - Q 2
Тойрог процесс буюу мөчлөгсистем нь хэд хэдэн төлөвт шилжсэний дараа анхны төлөвтөө буцаж ирдэг үйл явц юм. Төлөвийн диаграммд мөчлөгийг хаалттай муруй хэлбэрээр дүрсэлсэн байдаг. Циклийг гүйцэтгэсэн хамгийн тохиромжтой хий, өргөтгөх (1-2) ба шахалтын (2-1) процессуудад хувааж болно, өргөтгөлийн ажил эерэг байна А 1-2 > 0, учир ньВ 2
>
В 1
, шахалтын ажил сөрөг байна А 1-2 < 0, т.к.
В 2
<
В 1
. Үүний үр дүнд нэг мөчлөгт хийн хийсэн ажлыг 1-2-1 хаалттай муруйгаар бүрхсэн талбайгаар тодорхойлно. Хэрэв мөчлөгийн үеэр эерэг ажил хийвэл (цагийн зүүний дагуу) мөчлөгийг урагшаа гэж нэрлэдэг, хэрэв энэ нь урвуу мөчлөг бол (мөчлөг нь цагийн зүүний эсрэг явагддаг).
Шууд мөчлөгдулааны хөдөлгүүрт ашигладаг - гаднаас хүлээн авсан дулааныг ашиглан ажил гүйцэтгэдэг үе үе ажилладаг хөдөлгүүрүүд. Урвуу мөчлөгхөргөлтийн машинд ашигладаг - үйл ажиллагааны улмаас үе үе ажилладаг суурилуулалт гадаад хүчдулааныг илүү өндөр температуртай биед шилжүүлдэг.
Тойрог процессын үр дүнд систем анхны төлөвтөө буцаж ирдэг тул дотоод энергийн нийт өөрчлөлт тэг болно. Дараа ньІ дугуй процессын эхлэл t/d
Q= Δ У+ А= А,
Өөрөөр хэлбэл, нэг мөчлөгт хийсэн ажил нь гаднаас хүлээн авсан дулааны хэмжээтэй тэнцүү боловч
Q= Q 1 - Q 2
Q 1 - тоо хэмжээ системээс хүлээн авсан дулаан,
Q 2 - тоо хэмжээ системээс ялгарах дулаан.
Дулааны үр ашигдугуй процессын хувьд харьцаатай тэнцүү байнасистемд нийлүүлсэн дулааны хэмжээгээр системийн хийсэн ажил:
η = 1-ийн хувьд нөхцөл хангагдсан байх ёстойQ 2 = 0, өөрөөр хэлбэл. Дулааны машин нь нэг дулааны эх үүсвэртэй байх ёстойQ 1 , гэхдээ энэ нь t/d-ийн хоёрдугаар хуультай зөрчилдөж байна.
Дулааны машинд тохиолддог урвуу процессыг хөргөлтийн машинд ашигладаг.
Температур бүхий термостатаас Т 2 дулааны хэмжээг авдагQ 2
ба температуртай хамт термостат руу дамждагТ 1
, дулааны хэмжээQ 1
.
Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно А< 0.
Ажил хийхгүй бол халаалт багатай биеэс дулаан авч, илүү халсан биед өгөх боломжгүй юм.
t/d-ийн хоёрдугаар хуульд үндэслэн Карно теорем гаргажээ.
Карногийн теорем: халаагчийн температур ижил байдаг үе үе ажилладаг бүх дулааны хөдөлгүүрүүдийн ( Т 1) болон хөргөгч ( Т 2) хамгийн өндөр үр ашиг. урвуу машинтай. Үр ашиг тэнцүү урвуу машинууд Т 1 ба Т 2 нь тэнцүү бөгөөд ажлын шингэний шинж чанараас хамаардаггүй.
Ажлын бие гэдэг нь дугуй хэлбэртэй үйл явц хийж, бусад биетэй энерги солилцдог бие юм.
Карногийн мөчлөг нь 2 изотерм, 2 адиабатаас бүрдэх буцах боломжтой, хамгийн хэмнэлттэй мөчлөг юм.
1-2 изотермийн тэлэлт Т 1 халаагуур; дулааныг хийд нийлүүлдэгQ 1
мөн ажил хийгдсэн
2-3 - адиабат. өргөтгөл, хий ажилладагА 2-3 >0 гаднах биетээс дээш.
3-4 изотермийн шахалт Т 2 хөргөгч; дулааныг арилгадагQ 2
мөн ажил хийгдсэн
;
4-1-адиабат шахалт, хий дээр ажил хийгддэг 4-1 <0 внешними телами.
Изотерм процесстУ= const, тэгэхээр Q 1 = А 12
1
Адиабат тэлэлтийн үедQ 2-3 = 0, хийн ажил А 23 дотоод эрчим хүчээр бүтдэг A 23 = - У
Дулааны хэмжээQ 2 , изотерм шахалтын үед хийн хөргөгчинд өгсөн нь шахалтын ажилтай тэнцүү байна А 3-4
2
Адиабат шахалтын ажил
Тойрог хэлбэрийн процессын үр дүнд хийгдсэн ажил
А = А 12 + А 23 + А 34 + А 41 = Q 1 + А 23 - Q 2 - А 23 = Q 1 - Q 2
ба 1-2-3-4-1 муруйн талбайтай тэнцүү байна.
Дулааны үр ашиг Карногийн мөчлөг
2-3 ба 3-4 процессуудын адиабат тэгшитгэлээс бид олж авна
Дараа нь 
тэдгээр. үр ашиг Карногийн мөчлөг нь зөвхөн халаагч болон хөргөгчийн температураар тодорхойлогддог. Үр ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд ялгааг нэмэгдүүлэх хэрэгтэй Т 1 - Т 2 .
******************************************************* ******************************************************
