Entropi formülü nedir? Termodinamikte entropi

Denklem (44.7) veya (44.12) farklı şekilde yorumlanabilir. Tersinir makineleri çalıştırırken sıcaklıktaki ısı, sıcaklıktaki ısıya “eşdeğerdir”; sonuçta, eğer emilirse, o zaman ısı her zaman açığa çıkar. Şimdi buna özel bir isim bulursak şunu söyleyebiliriz: geri dönüşümlü süreçler salındığı kadar emilir. Yani ne azalıyor ne de artıyor. Bu miktara entropi denir ve biz "tersine çevrilebilir bir döngüde entropideki değişimin sıfır olduğunu" söyleriz. Eğer ise entropi eşittir; Entropiye zaten özel bir sembol verdik. Entropi baştan sona harfle gösterilir ve sayısal olarak bir derecelik bir rezervuarda salınan ısıya (harfle gösterdiğimiz) eşittir (entropi sadece ısı değildir, ısının sıcaklığa bölümüdür ve şu şekilde ölçülür: derece başına joule).

Sıcaklık ve hacme bağlı olan basınca ve iç enerjiye (aynı hacim ve sıcaklığın bir fonksiyonu) ek olarak başka bir nicelik bulmamız ilginçtir: aynı zamanda bir durumun fonksiyonu olan bir maddenin entropisi. Entropinin nasıl hesaplanacağını ve “durum fonksiyonu” kelimesiyle ne kastettiğimizi açıklamaya çalışacağız. Farklı koşullar altında sistemin davranışını izleyelim. Nasıl oluşturulacağını zaten biliyoruz farklı koşullarörneğin deneysel olarak sistem adyabatik veya izotermal olarak genişlemeye zorlanabilir. (Bu arada, makinenin yalnızca iki rezervuara sahip olması gerekmez; üç veya dört farklı sıcaklık olabilir ve makine, rezervuarların her biriyle ısı alışverişinde bulunacaktır.) Bir durumdan hareket ederek tüm diyagramda dolaşabiliriz. diğerine. Başka bir deyişle, bir gazı bir durumdan başka bir duruma aktarabilir ve geçişin tersine çevrilebilir olmasını isteyebilirsiniz. Şimdi, farklı sıcaklıklara sahip küçük rezervuarların bir noktadan diğerine giden yol boyunca yerleştirildiğini varsayalım. Daha sonra her kısa adıma, maddeden ısının uzaklaştırılması ve yol üzerinde belirli bir noktaya karşılık gelen bir sıcaklıkta rezervuara aktarılması eşlik edecektir. Tüm bu rezervuarları tersinir ısı motorları kullanarak birim sıcaklıktaki bir rezervuara bağlayalım. Bir maddenin bir durumdan diğerine aktarımını tamamladıktan sonra tüm rezervuarları orijinal durumuna döndüreceğiz. Tersinir bir makine, belirli bir sıcaklıkta bir maddeden alınan ısının her kesrini geri verecektir ve her seferinde birim sıcaklıkta şuna eşit bir entropi olacaktır:

Tahsis edilen toplam entropi miktarını hesaplayalım. Entropi farkı veya tersinir bir değişimin sonucu olarak bir noktadan diğerine gitmek için gereken entropi, toplam entropidir, yani küçük rezervuarlardan alınan ve birim sıcaklıkta salınan entropidir:

Soru şu: Entropi farkı düzlemdeki yola mı bağlı? 'dan 'a giden birçok yol var. Carnot çevriminde noktadan noktaya (bkz. Şekil 44.6) iki şekilde hareket edebildiğimizi hatırlayın. Gazın önce izotermal olarak, sonra adyabatik olarak genleştirilmesi mümkündü ya da adyabatik genleşmeyle başlayıp izotermal genleşmeyle bitmesi mümkündü. Bu nedenle, 'den'e giden yol değiştiğinde entropinin değişip değişmediğini bulmalıyız (Şekil 44.10). Değişmemesi lazım, çünkü bir taraftan çıkıp diğer tarafa dönerek tam bir döngüyü tamamlarsak, o zaman bu yolculuk tersinir bir makinenin tam döngüsüne eşdeğer olacaktır. Bu çevrimde bir derecelik tanka ısı aktarılmaz.

İncir. 44.10. Tersine çevrilebilir bir geçiş sırasındaki entropi değişimi.

Bir derecelik bir rezervuardan ısı alamadığımız için, her yolculukta aynı miktarda entropiyle yetinmek zorundayız. Bu miktar yoldan bağımsızdır, yalnızca anlamlıdır uç noktalar. Böylece maddenin entropisi dediğimiz belli bir fonksiyondan söz edebiliriz. Bu işlev yalnızca maddenin durumuna, yani yalnızca hacmine ve sıcaklığına bağlıdır.

Fonksiyonu bulabilirsiniz. Bir derecelik bir rezervuarda üretilen ısıyı izleyerek maddedeki tersinir değişiklikler için entropideki değişimi hesaplayacağız. Ancak bu değişiklik aynı sıcaklıkta maddeden uzaklaştırılan ısı cinsinden de ifade edilebilir.

Entropideki toplam değişiklik, sondaki entropi farkına eşittir ve başlangıç ​​noktaları yollar:

. (44.18)

Bu ifade entropiyi tam olarak tanımlamaz. Şu ana kadar sadece ikisinin entropi farkı biliniyor farklı eyaletler. Entropiyi belirlemek ancak bir durumun entropisini hesaplayabildiğimizde kesinlikle mümkündür.

Çok uzun bir süre mutlak entropinin anlamsız bir kavram olduğuna inanılıyordu. Ancak sonunda Nernst, ısı teoremi (bazen termodinamiğin üçüncü yasası olarak da adlandırılır) adını verdiği bir açıklama yaptı. Anlamı çok basittir. Şimdi bu teoremin neden doğru olduğunu açıklamadan ifade edeceğiz. Nernst'in varsayımı basitçe şunu belirtir: herhangi bir cismin entropisi mutlak sıfır sıfıra eşittir. Artık entropinin ne ve ('de) sıfır olduğunu biliyoruz ve entropiyi herhangi bir başka noktada hesaplayabiliriz.

Bu fikri açıklamak için entropiyi hesaplayalım ideal gaz. İzotermal (ve dolayısıyla tersinir) genleşme basitçe eşittir çünkü

ki bu sabittir. Dolayısıyla (44.4)'e göre entropideki değişim şuna eşittir:

,

Bu yüzden artı tek başına sıcaklığın fonksiyonu. Nasıl bağlıdır? Adyabatik genleşme sırasında ısı transferi olmadığını zaten biliyoruz. Böylece, hacim değişse de entropi sabit kalır, bu da onu değişmeye zorlar (eşitliği korumak için). Bundan sonra senin için açık mı?

,

ikisine de bağlı olmayan bir sabit nerede? [Sabite kimyasal sabit denir. Gazın özelliklerine bağlıdır ve Nernst teoremine göre deneysel olarak belirlenebilir. Bunu yapmak için gazın soğuması ve yoğunlaşması sırasında açığa çıkardığı ısıyı, 0°'de katı hale gelinceye kadar ölçmek gerekir (helyum bu sıcaklıkta sıvı kalır). O zaman integrali bulmanız gerekir. Teorik olarak bulunabilir; Bunun için Planck sabitine ihtiyacınız olacak ve kuantum mekaniği, ancak dersimizde buna değinmeyeceğiz.]

Entropinin bazı özelliklerine değinelim. İlk olarak, noktalar arasındaki tersinir döngü bölümünde entropinin (Şekil 44.11) değiştiğini unutmayın. Ayrıca bu yolda ilerledikçe entropinin (birim sıcaklıkta açığa çıkan ısı), bir sıcaklıkta maddeden alınan ısının nerede olduğu kuralına uygun olarak arttığını da unutmayalım.

İncir. 44.11. Tam bir tersinir döngü boyunca entropi değişimi.

Toplam entropi değişimi sıfırdır.

Tersine çevrilebilir bir döngüden sonra sürece dahil olan her şeyin toplam entropisinin değişmediğini zaten biliyoruz. Sonuçta, emilen ısı ve salınan ısı, entropiye büyüklük olarak eşit fakat işaret olarak zıt katkıda bulunur. Bu nedenle entropideki net değişim sıfırdır. Böylece, tersinir bir döngüyle, rezervuarlar dahil döngüdeki tüm katılımcıların entropisi değişmez. Bu kural enerjinin korunumu yasasına benziyor gibi görünse de aslında öyle değildir. Yalnızca tersinir döngüler için geçerlidir. Geri dönüşü olmayan döngülere geçersek, entropinin korunumu yasası artık mevcut değildir.

İki örnek verelim. Başlangıç ​​olarak, sürtünmeli bir makinenin belirli bir sıcaklıkta ısı açığa çıkararak tersinmez iş ürettiğini varsayalım. Entropi artacaktır. Isı harcanan işe eşittir ve sıcaklığı eşit olan bir nesneye sürtünme yoluyla bir iş ürettiğimizde entropi bir miktar artar.

Tersine çevrilemezliğe başka bir örnek: Farklı sıcaklıklara sahip iki nesneyi birbirine uygularsanız, örneğin ve , o zaman bir nesneden diğerine belirli miktarda ısı akacaktır. Örneğin sıcak bir taşı soğuk suya attığımızı varsayalım. Sıcaklıktaki suya ısı aktaran bir taşın entropisi ne kadar değişir? kadar azalır. Suyun entropisi nasıl değişir? kadar artacaktır. Elbette ısı yalnızca daha fazla kaynaktan akabilir. yüksek sıcaklık daha düşük olana. Bu nedenle daha fazla ise olumludur. Dolayısıyla entropideki değişim pozitiftir ve iki kesrin farkına eşittir:

. (44.19)

Dolayısıyla şu teorem doğrudur: Geri dönüşü olmayan herhangi bir süreçte dünyadaki her şeyin entropisi artar. Yalnızca tersinir süreçler entropiyi aynı seviyede tutabilir. Ve kesinlikle geri dönüşü olmayan süreçler olmadığından entropi her zaman azar azar artar. Tersinir süreçler, entropide minimum artışa sahip idealleştirilmiş süreçlerdir.

Ne yazık ki termodinamik alanında daha derinlere inmemize gerek kalmayacak. Amacımız sadece bu bilimin ana fikirlerini örneklendirmek ve bu argümanlar üzerine inşa etmenin neden mümkün olduğunu açıklamaktır. Ancak dersimizde termodinamiğe çok sık başvurmayacağız. Termodinamik, teknoloji ve kimyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle kimya veya teknik bilimler derslerinde termodinamik ile pratik olarak tanışacaksınız. Kopyalamanın bir anlamı yok ve kendimizi teorinin doğasına ilişkin yalnızca belirli bir genel bakışla sınırlayacağız ve özel uygulamalarına ilişkin ayrıntılara girmeyeceğiz.

Termodinamiğin iki yasası genellikle şu şekilde formüle edilir:

Birinci Kanun: Evrenin enerjisi her zaman sabittir.

İkinci Kanun: Evrenin entropisi her zaman artar.

Bu, ikinci yasanın pek iyi bir formülasyonu değil. Örneğin entropinin tersinir bir döngüden sonra değişmediğine dair hiçbir şey söylemiyor ve entropi kavramının kendisini açıklığa kavuşturmuyor. Bu sadece her iki yasanın da hatırlanması kolay bir şeklidir, ancak bundan gerçekte ne hakkında konuştuklarını anlamak kolay değildir.

Şu anda tartışılan tüm yasaları bir tabloda topladık. 44.1. Bir sonraki bölümde, kauçuğun gerildiğinde ürettiği ısı ile kauçuğun ısındığında uyguladığı ilave gerilim arasındaki ilişkiyi bulmak için bu yasa dizisini kullanacağız.

Tablo 44.1 Termodinamiğin Kanunları

2. Maddelerin standart entropisi. Maddelerin toplanma durumu değiştiğinde entropideki değişim. Standart entropi değişiminin hesaplanması kimyasal reaksiyon.
Entropi (S), bir sistemin düzensizliğinin (düzensizliğinin) bir ölçüsü olarak hizmet eden, durumun termodinamik bir fonksiyonudur. Endotermik süreçlerin meydana gelme olasılığı entropideki bir değişiklikten kaynaklanmaktadır, çünkü izole edilmiş sistemlerde kendiliğinden meydana gelen bir sürecin entropisi ΔS > 0 artar (termodinamiğin ikinci yasası). L. Boltzmann entropiyi W sisteminin durumunun (düzensizliğinin) termodinamik olasılığı olarak tanımladı. Entropi ile ilişkilidir termodinamik olasılık ilişki: S = R ln W
Bir maddenin 1 molünün entropisinin boyutu R gaz sabitinin boyutuyla çakışır ve J∙mol–1∙K–1'e eşittir. Tersinir ve tersinir süreçlerde entropi*) değişimi ΔS > Q / T ve ΔS = Q / T ilişkileriyle aktarılır. Örneğin erime entropisindeki değişim erime ısısına (entalpi) eşittir ΔSmel = ΔHmel/Tmel. Kimyasal bir reaksiyon için entropideki değişiklik entalpideki değişime benzer

*) entropi terimi Clausius (1865) tarafından Q/T (indirgenmiş ısı) oranı aracılığıyla tanıtıldı.

Burada ΔS° standart durumun entropisine karşılık gelir. Standart entropiler basit maddeler sıfıra eşit değildir. Diğer termodinamik fonksiyonlardan farklı olarak entropi ideal olarak kristal gövde mutlak sıfırda sıfıra eşittir (Planck'ın varsayımı), çünkü W = 1.

Belirli bir sıcaklıkta bir maddenin veya cisimler sisteminin entropisi mutlak bir değerdir.

Entropi şunlara bağlıdır:
-Bir maddenin toplam durumu. Entropi katıdan sıvıya ve özellikle de sıvıya geçiş sırasında artar. gaz hali(su, buz, buhar).
-izotopik bileşim (H2O ve D2O).
-benzer bileşiklerin moleküler ağırlığı (CH4, C2H6, n-C4H10).
- moleküler yapı (n-C4H10, izo-C4H10).
-kristalin yapı (allotropi) – elmas, grafit.

Bu süreç sırasında entropideki değişim ( katı-sıvı) Sürecin dengede olduğunu düşünürsek faz geçişi basitçe bulunabilir.

Sistem ile sisteme ısı sağlayan nesne arasındaki sıcaklık farkının çok büyük olmadığını, erime noktasından çok daha az olduğunu varsayarsak, bu tamamen kabul edilebilir bir yaklaşımdır. O halde entropinin termodinamik anlamını kullanabiliriz: termodinamik açısından entropi, sistemin durumunun bir fonksiyonudur; temel denge sürecindeki dS değişimi, ısı δQ kısmının oranına eşittir. sistemin bu süreçte sistem sıcaklığına ulaştığı T:

Belirli bir sıcaklıktaki sistem sıcaklığı nedeniyle faz geçişi değişmez ve erime noktasına eşit olur, o zaman integrand hal değişimi sırasında değişmeyen bir niceliktir, dolayısıyla maddenin m kütlesine bağlı değildir. Daha sonra

Bu formülden erime sırasında entropinin arttığı ve kristalleşme sırasında azaldığı sonucu çıkar. Fiziksel anlam Bu sonuç oldukça açıktır: Bir katıdaki bir molekülün faz bölgesi, bir katıdaki her moleküle yalnızca erişilebilir olduğundan, bir sıvıdakinden çok daha küçüktür. küçük alan bitişik düğümler arasındaki boşluk kristal kafes ve sıvı moleküllerde uzayın tüm bölgesini kaplar. Bu nedenle eşit sıcaklıkta entropi sağlam akışkanın entropisi daha azdır. Bu, katının sıvıya göre daha düzenli ve daha az kaotik bir sistem olduğu anlamına gelir.
Bu (sıvı-gaz) süreçte entropinin uygulanması, sürecin dengede olduğu düşünülerek kolayca bulunabilir. Ve yine, sistem ile ısı "tedarikçisi" arasındaki sıcaklık farkının küçük olması koşuluyla, bu tamamen kabul edilebilir bir yaklaşımdır, yani. kaynama noktasından çok daha düşüktür. Daha sonra

Formülden buharlaşma sırasında entropinin arttığı ve yoğunlaşma sırasında azaldığı sonucu çıkar.
Bu sonucun fiziksel anlamı sıvı ve gazdaki molekülün faz bölgesinin farklılığıdır. Sıvılarda ve gazlarda her molekülün sistem tarafından kaplanan alanın tamamına erişimi olmasına rağmen, bu bölgenin kendisi bir sıvı için gaza göre önemli ölçüde daha küçüktür. Bir sıvıda moleküller arasındaki çekim kuvvetleri onları birbirlerinden belirli bir mesafede tutar. Bu nedenle, her molekül, sıvının kapladığı alan bölgesinden serbestçe geçme fırsatına sahip olmasına rağmen, diğer moleküllerin "topluluğundan kopma" fırsatına sahip değildir: bir molekülden ayrılır ayrılmaz, diğeri hemen ilgi görüyor. Bu nedenle sıvının hacmi miktarına bağlıdır ve hiçbir şekilde kabın hacmiyle ilişkili değildir.

Gaz molekülleri farklı davranır. Çok şey var daha fazla özgürlük Aralarındaki ortalama mesafe, çekici kuvvetlerin çok küçük olacağı ve moleküllerin yalnızca çarpışmalar sırasında "birbirlerini fark edecekleri" şekildedir. Sonuç olarak gaz her zaman kabın tüm hacmini kaplar.

Bu nedenle ne zaman eşit sıcaklıklar Gaz moleküllerinin faz bölgesi, sıvı moleküllerin faz bölgesinden önemli ölçüde daha büyüktür ve gazın entropisi, sıvının entropisinden daha büyüktür. Gaz, sıvıya göre çok daha az düzenli, daha kaotik bir sistemdir.

Bir kimyasal reaksiyonda standart molar entropideki değişiklik aşağıdaki denklemle belirlenir:

Ele alınan örnekte entropideki değişimin negatif çıktığına dikkat edilmelidir. Söz konusu reaksiyonun denklemine göre, gaz halindeki reaktanların toplam miktarının 1,5 mol ve gaz halindeki ürünlerin toplam miktarının yalnızca 1 mol olduğunu düşünürsek bu beklenebilir. Böylece reaksiyon sonucunda bir azalma meydana gelir. toplam sayı gazlar Aynı zamanda yanma reaksiyonlarının ekzotermik reaksiyonlar olduğunu da biliyoruz. Sonuç olarak, bunların ortaya çıkmasının sonucu enerjinin dağılmasıdır ve bu da entropinin azalmasını değil, artmasını beklememize neden olur. Ayrıca, ilk ateşlemenin neden olduğu hidrojen gazının 25°C'deki yanmasının daha sonra kendiliğinden ve büyük bir yoğunlukla ilerlediği dikkate alınmalıdır. Peki bu durumda termodinamiğin ikinci yasası gereği, bu reaksiyondaki entropi değişiminin pozitif olması gerekmez mi? Görünen o ki - hayır ya da en azından mutlaka değil. Termodinamiğin ikinci yasası, kendiliğinden gelişen bir süreç sonucunda sistemin ve çevresinin toplam entropisinin artmasını gerektirir. Yukarıda hesaplanan entropi değişimi yalnızca dikkate alınan durumu karakterize eder. kimyasal sistem Hidrojen gazının 25°C'de yanmasına katılan reaktifler ve ürünlerden oluşur.

Bir termodinamik sistemin makroskopik parametreleri basınç, hacim ve sıcaklığı içerir. Ancak önemli bir şey daha var fiziksel miktar Termodinamik sistemlerdeki durumları ve süreçleri tanımlamak için kullanılır. Buna entropi denir.

Entropi nedir

Bu kavram ilk kez 1865 yılında Alman fizikçi Rudolf Clausius tarafından ortaya atıldı. Entropiyi, geri dönüşü olmayan enerji dağılımının ölçüsünü belirleyen termodinamik sistemin durumunun fonksiyonu olarak adlandırdı.

Entropi nedir?

Bu soruyu cevaplamadan önce “azaltılmış ısı” kavramını tanıyalım. Bir sistemde meydana gelen herhangi bir termodinamik süreç, sistemin bir durumdan diğerine belirli sayıda geçişinden oluşur. Azaltılmış ısı ısı miktarının oranı denir izotermal süreç bu ısının aktarıldığı sıcaklığa kadar.

Q" = Q/T .

Herhangi bir açık termodinamik işlem için, sistemin bir durumdan diğerine geçiş sırasındaki değişimi azaltılmış ısıların toplamına eşit olan bir sistem fonksiyonu vardır. Clausius bu fonksiyona "adını verdi" entropi " ve onu harfle belirledim S ve toplam ısı miktarının oranı ∆Q boyutuna mutlak sıcaklıkT adlandırılmış entropi değişimi .

Clausius formülünün entropinin değerini değil sadece değişimini belirlediğine dikkat edelim.

Termodinamikte “geri dönülemez enerji kaybı” nedir?

Termodinamiğin ikinci yasasının formülasyonlarından biri şu şekildedir: " Tek sonucu sistem tarafından alınan ısı miktarının tamamının işe dönüştürülmesi olan bir süreç imkansızdır.". Yani ısının bir kısmı işe dönüşür, bir kısmı da dağılır. Bu işlem geri döndürülemez. Daha sonra dağılan enerji artık iş yapamaz. Örneğin gerçek bir ısı motorunda ısının tamamı çalışma gövdesine aktarılır ve bir kısmı ısıtılarak dış ortama dağıtılır.

Carnot çevrimine göre çalışan ideal bir ısı makinesinde indirgenmiş ısıların toplamı sıfırdır. Bu ifade aynı zamanda yarı statik (tersine çevrilebilir) herhangi bir döngü için de geçerlidir. Ve böyle bir sürecin bir durumdan diğerine kaç geçişten oluştuğu önemli değil.

Eğer keyfi bir termodinamik süreci sonsuz küçüklükteki bölümlere ayırırsak, bu tür bölümlerin her birinde azaltılan ısı şuna eşit olacaktır: δQ/T . Tam diferansiyel entropi dS = δQ/T .

Entropi, ısının geri dönülemez şekilde dağılma yeteneğinin bir ölçüsüdür. Değişimi, çevreye ne kadar enerjinin ısı şeklinde rastgele dağıldığını gösterir.

Kapalı bir şekilde izole sistem ile ısı alışverişi yapmamak çevre Tersinir süreçler sırasında entropi değişmez. Bu şu anlama gelir: diferansiyel dS = 0 . Gerçekte ve geri dönüşü olmayan süreçlerısı transferi oluşur sıcak vücut soğuğa. Bu tür süreçlerde entropi her zaman artar ( dS ˃ 0 ). Sonuç olarak termodinamik sürecin yönünü gösterir.

Clausius formülü şu şekilde yazılmıştır: dS = δQ/T , yalnızca yarı statik işlemler için geçerlidir. Bunlar sürekli birbirini takip eden bir dizi denge durumu olan idealleştirilmiş süreçlerdir. Gerçek termodinamik süreçlerin çalışmasını basitleştirmek için termodinamiğe dahil edildiler. Yarı-statik bir sistemin herhangi bir anda termodinamik denge durumunda olduğuna inanılmaktadır. Bu sürece aynı zamanda yarı denge de denir.

Elbette doğada bu tür süreçler yoktur. Sonuçta sistemdeki herhangi bir değişiklik onu bozar denge durumu. Sistemi denge durumuna döndürmeye çalışan çeşitli geçiş süreçleri ve gevşeme süreçleri oluşmaya başlar. Ancak oldukça yavaş ilerleyen termodinamik süreçlerin yarı statik olduğu düşünülebilir.

Uygulamada, çözümü karmaşık ekipmanların oluşturulmasını, birkaç yüz bin atmosferlik basınç oluşturulmasını ve çok yüksek sıcaklıkların uzun süre korunmasını gerektiren birçok termodinamik problem vardır. Ve yarı statik süreçler, bu tür gerçek süreçlerin entropisini hesaplamayı, şu veya bu sürecin nasıl ilerleyebileceğini tahmin etmeyi mümkün kılar ki bunun pratikte uygulanması çok zordur.

Azalan olmayan entropi kanunu

Entropi kavramına dayanan termodinamiğin ikinci yasası şu şekilde formüle edilmiştir: “ Yalıtılmış bir sistemde entropi azalmaz " Bu yasaya da denir azalmayan entropi kanunu.

Zamanın bir noktasında kapalı bir sistemin entropisi maksimumdan farklıysa, gelecekte yalnızca şu seviyeye ulaşana kadar artabilir: maksimum değer. Sistem denge durumuna ulaşacaktır.

Clausius Evrenin var olduğundan emindi. kapalı sistem. Ve eğer öyleyse, o zaman entropisi maksimum değerine ulaşma eğilimindedir. Bu, bir gün içindeki tüm makroskobik süreçlerin duracağı anlamına gelir ve “ ısı ölümü" Ancak Amerikalı gökbilimci Edwin Powell Hubble, Evrenin genişlediği için izole bir termodinamik sistem olarak adlandırılamayacağını kanıtladı. Sovyet fizikçisi Akademisyen Landau, değişken bir çekim alanı içinde olduğundan, azalmayan entropi yasasının Evren'e uygulanamayacağına inanıyordu. Modern bilim Evrenimizin kapalı bir sistem olup olmadığı sorusuna henüz cevap veremiyoruz.

Boltzmann ilkesi

Ludwig Boltzmann

Herhangi bir kapalı termodinamik sistem bir denge durumuna eğilimlidir. İçinde meydana gelen tüm kendiliğinden süreçlere entropide bir artış eşlik eder.

1877'de Avusturyalı teorik fizikçi Ludwig Boltzmann, termodinamik durumun entropisini bir sistemin mikro durumlarının sayısıyla ilişkilendirdi. Entropinin değerini hesaplamak için kullanılan formülün daha sonra Alman teorik fizikçi Max Planck tarafından türetildiğine inanılıyor.

S = k · içindeW ,

Nerede k = 1,38·10 −23 J/K - Boltzmann sabiti; W - belirli bir makrostatik durumu gerçekleştiren sistemin mikrodurumlarının sayısı veya bu durumun gerçekleştirilebileceği yolların sayısı.

Entropinin sadece sistemin durumuna bağlı olduğunu, sistemin bu duruma nasıl geçtiğine bağlı olmadığını görüyoruz.

Fizikçiler entropinin termodinamik sistemin düzensizlik derecesini karakterize eden bir miktar olduğunu düşünüyorlar. Herhangi bir termodinamik sistem her zaman parametrelerini çevresi ile dengelemeye çalışır. Bu duruma kendiliğinden gelir. Denge durumuna ulaşıldığında sistem artık iş yapamaz. Dağınıklık içinde olduğu düşünülebilir.

Entropi, sistem ile dış ortam arasındaki termodinamik ısı alışverişi sürecinin yönünü karakterize eder. Kapalı bir termodinamik sistemde kendiliğinden gerçekleşen süreçlerin hangi yönde ilerleyeceğini belirler.

Doğada meydana gelen tüm süreçler geri döndürülemez. Bu nedenle artan entropi yönünde akarlar.

Termodinamiğin ikinci yasasının çeşitli formülasyonları vardır. Clausius'un formülasyonu: Daha düşük sıcaklığa sahip bir vücuttan daha yüksek sıcaklığa sahip bir gövdeye ısı transferi işlemi imkansızdır.

Thomson'un formülasyonu: Belirli bir cisimden alınan ısı nedeniyle işin gerçekleştirilmesi sonucunu doğuracak bir süreç imkansızdır. Bu formülasyon dönüşüme bir kısıtlama getirmektedir. iç enerji mekanik. Araba yapamıyorum ( sürekli hareket makinesi

yalnızca çevreden ısı alarak iş yapacak olan ikinci türden. Boltzmann formülasyonu: Entropi

- Bu sistemin bozukluğunun göstergesidir. Entropi ne kadar yüksek olursa, sistemi oluşturan maddi parçacıkların hareketi de o kadar kaotik olur. Örnek olarak suyu kullanarak bunun nasıl çalıştığını görelim. Sıvı halde su, moleküller birbirine göre serbestçe hareket ettiğinden ve uzaysal yönelimleri isteğe bağlı olabileceğinden oldukça düzensiz bir yapıdır. Buz başka bir konudur - içindeki su molekülleri kristal kafese dahil edilerek sıralanmıştır. Boltzmann'ın termodinamiğin ikinci yasasının formülasyonu, nispeten konuşursak, buzun eriyip suya dönüştüğünü (düzen derecesinde bir azalma ve entropide bir artışın eşlik ettiği bir süreç) asla entropiden yeniden doğmayacağını belirtir. kapalı sistemlerde yani dışarıdan enerji beslemesi almayan sistemlerde azalma olmaz. (Termodinamiğin üçüncü yasası Nernst teoremi

), sıcaklık mutlak sıfıra yaklaşırken entropinin davranışını belirleyen fiziksel bir prensiptir. Önemli miktarda deneysel verinin genelleştirilmesine dayanarak kabul edilen termodinamiğin varsayımlarından biridir.

“Mutlak sıfır sıcaklıkta entropideki artış, sonlu sınır, sistemin içinde bulunduğu denge durumundan bağımsız olarak".

herhangi bir termodinamik parametre nerede.

Termodinamiğin üçüncü yasası yalnızca denge durumları için geçerlidir.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre, entropi yalnızca isteğe bağlı bir toplamsal sabite kadar belirlenebileceğinden (yani, belirlenen entropinin kendisi değil, yalnızca onun değişimidir):

Entropiyi doğru bir şekilde belirlemek için termodinamiğin üçüncü yasası kullanılabilir. Bu durumda mutlak sıfır sıcaklıktaki denge sisteminin entropisinin sıfıra eşit olduğu kabul edilir.

İdeal gazların entropisi

İdeal gazların entropisindeki değişime ilişkin hesaplanmış bir ifade elde etmek için, ısının entalpi değişimi kullanılarak belirlendiği termodinamiğin birinci yasasını kullanırız.

İdeal bir gazın belirli iki durumdaki entropileri arasındaki fark, (4.59) ifadesinin entegre edilmesiyle elde edilebilir.

İdeal bir gazın entropisinin mutlak değerini belirlemek için, sayımının başlangıcını durumun herhangi bir çift termal parametresi ile sabitlemek gerekir. Örneğin, T 0 ve P 0'da s 0 =0 alarak denklem (4.60)'ı kullanarak şunu elde ederiz:

İfade (4.62), ideal bir gazın entropisinin bir durum parametresi olduğunu gösterir çünkü herhangi bir durum parametresi çifti aracılığıyla belirlenebilir. Buna karşılık, entropinin kendisi bir durum parametresi olduğundan, onu herhangi bir bağımsız durum parametresiyle birlikte kullanarak herhangi bir başka gaz durumu parametresini belirlemek mümkündür.

Entropi termodinamikte tanıtılan bir kavramdır. Bu değer kullanılarak enerji kaybının ölçüsü belirlenir. Herhangi bir sistem, ısı ile ısı arasında ortaya çıkan bir çatışmayla karşılaşır. kuvvet alanı. Sıcaklıktaki bir artış, düzen derecesinde bir azalmaya yol açar. Düzensizliğin ölçüsünü belirlemek için entropi adı verilen bir miktar tanıtıldı. Hem kapalı hem de açık sistemlerde enerji akışlarının değişim derecesini karakterize eder.

Yalıtılmış devrelerde entropi değişimi ısının artmasıyla birlikte artar. Bu düzensizlik ölçüsü, en kaotik olan termodinamik denge ile karakterize edilen bir durumda maksimum değerine ulaşır.

Sistem açıksa ve aynı zamanda dengesizse, entropideki değişim azalma yönünde meydana gelir. Bu versiyondaki bu ölçünün değeri formülle karakterize edilir. Bunu elde etmek için iki miktar toplanır:
- ısı ve maddelerin dış ortamla değişimi nedeniyle oluşan entropinin akışı;
- sistem içindeki kaotik hareket endeksindeki değişimin büyüklüğü.

Entropi değişiklikleri biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçler. Bu olay belli bir hızda gerçekleşir. Entropideki değişiklik pozitif bir değer olabilir; bu durumda bir akış meydana gelir bu gösterge itibaren sisteme dış çevre. Entropi değişimini gösteren değerin eksi işaretiyle tanımlandığı durumlar olabilir. Bu sayısal değer entropinin dışarı akışını gösterir. Sistem şu durumda olabilir: Bu durumda üretilen entropi miktarı bu göstergenin dışarı akışıyla telafi edilir. Böyle bir duruma bir örnek, dengede olmayan, ancak aynı zamanda durağan olan durumdur. Herhangi bir organizma entropiyi pompalar; negatif değer, çevresinden. Ondan çıkarılan düzensizlik miktarı, alınan düzensizlik miktarını bile aşabilir.

Entropi üretimi her durumda meydana gelir. karmaşık sistemler. Evrim sürecinde aralarında bilgi alışverişi olur. Örneğin, moleküllerinin mekansal düzeni hakkındaki bilgiler kaybolduğunda. Entropinin arttığı bir süreç var. Sıvı donarsa moleküler konumlardaki belirsizlik azalır. İÇİNDE bu durumda entropi azalır. Bir sıvının soğutulması iç enerjisinde bir azalmaya neden olur. Ancak sıcaklık belirli bir değere ulaştığında sudan ısı alınmasına rağmen maddenin sıcaklığı değişmeden kalır. Bu, kristalleşmeye geçişin başladığı anlamına gelir. Bu tür bir izotermal süreç sırasında entropideki bir değişikliğe, sistemin kaos ölçüsünde bir azalma eşlik eder.

Bir maddenin füzyon ısısına izin veren pratik bir yöntem, sonucu bir katılaşma diyagramının oluşturulması olan işin yapılmasıdır. Yani çalışma sonucunda elde edilen verilere dayanarak maddenin sıcaklığının zamana bağımlılığını gösterecek bir eğri çizmek mümkündür. Aynı zamanda dış koşullar değişmemiş olmalıdır. Verileri işleyerek entropideki değişimi belirlemek mümkündür grafik görüntü deneyin sonuçları. Bu tür eğrilerde her zaman çizginin yatay bir boşluğa sahip olduğu bir bölüm vardır. Sıcaklık karşılık geliyor bu bölüm, katılaşma sıcaklığıdır.

Herhangi bir maddede, ortam sıcaklığında katıdan sıvıya veya katıdan sıvıya geçişin eşlik ettiği değişime birinci türden faz değişimi denir. Bu durumda sistemin yoğunluğu ve entropisi değişir.