Что такое энтропия в термодинамике

Третье начало термодинамики для новичков

Ранее мы рассмотрели первое и второе начала термодинамики, настало самое время поговорить о третьем. Иначе картина будет просто неполной.

И снова об энтропии

Помните красивое слово «энтропия»? Для тех, кто подзабыл, напомним, и попробуем рассказать о том, что такое энтропия такое простыми словами:

Энтропия – это мера хаоса в какой-либо системе.

В качестве системы может выступать Ваш письменный стол или кастрюля с борщом, или даже эта, ну как ее. Вселенная!

Чем меньше в системе порядка, тем больше энтропия. Например, в шкафу все вещи разбросаны как попало. Энтропия такой системы больше, чем в том же шкафу после того, как Вы решили вдруг прибраться и все сложили по полочкам.

Энтропия растетЭнтропия растет

Если говорить об определении энтропии в термодинамике, то она является функцией состояния термодинамической системы, то есть не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое.

Абсолютный ноль

Абсолютным нулем температуры называют такой нижний предел температуры, которую во Вселенной может иметь физическое тело.

Абсолютный ноль принят за начало температурной шкалы Кельвина. Если переводить в привычную нам шкалу Цельсия, то его значение равно -273,15 градусов.

Абсолютный ноль - это очень холодноАбсолютный ноль — это очень холодно

В рамках классической термодинамики абсолютного нуля достичь нельзя, да и на практике тоже не удастся. Можно только сколь угодно близко подобраться, чем с удовольствием и занимаются ученые.

Что же творится с вещами у абсолютного нуля? При этой температуре энергия теплового движения атомов и молекул становится равной нулю, прекращается всякое хаотическое движения частиц, и последние образуют упорядоченную структуру без всяких колебаний атомов кристаллической решетки и прочих беспорядков.

Кстати, самая низкая температура во Вселенной была зарегистрирована в туманности Бумаранг и равняется примерно -271 градусу Цельсия.

Туманность БумерангТуманность Бумеранг

Третье начало термодинамики

Третье начало термодинамики – фундаментальный закон, который не вытекает из первых двух начал и также основывается на экспериментальных данных. Его еще называют теоремой Нернста.

О чем говорит этот закон? Он рассматривает поведение энтропии у абсолютного нуля и гласит:

Энтропия правильно образованного кристалла при абсолютном нуле равна нулю.

Или вот еще одна формулировка третьего начала термодинамики: Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система.

В чем же смысл третьего начала? В том, что охладить тело до значения абсолютного нуля невозможно! Иначе стал бы возможен вечный двигатель второго рода. А если бы он стал возможен, с нашим миром определенно начало бы твориться неизвестно что. Так что вот и хорошо, что есть третье начало термодинамики!

Абсолютный ноль недостижимАбсолютный ноль недостижим

Друзья! Сегодня мы кратко рассмотрели третье начало термодинамики и еще раз освежили в памяти представление об энтропии в контексте основ термодинамики. Если хотите быстро научиться решать задачки по термодинамике, написать реферат или курсовую – добро пожаловать к нашим авторам. Поможем, объясним, решим качественно и быстро!

  • Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
  • Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
  • Курсовая работа 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
  • Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

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

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 Вам будет интересно: Субстантивированные прилагательные и их виды

Важно понимать два основных свойства энтропии:

Что определяет энтропия?

Почему в космосе нет воздуха и действительно ли это правда Вам будет интересно: Почему в космосе нет воздуха и действительно ли это правда

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.

Энтропия? Это просто!

Энтропия. Пожалуй, это одно из самых сложных для понимания понятий, с которым вы можете встретиться в курсе физики, по крайней мере если говорить о физике классической. Мало кто из выпускников физических факультетов может объяснить, что это такое. Большинство проблем с пониманием энтропии, однако, можно снять, если понять одну вещь. Энтропия качественно отличается от других термодинамических величин: таких как давление, объём или внутренняя энергия, потому что является свойством не системы, а того, как мы эту систему рассматриваем. К сожалению в курсе термодинамики её обычно рассматривают наравне с другими термодинамическими функциями, что усугубляет непонимание.

Так что же такое энтропия?

Например, если вы спросите меня, где я живу, и я отвечу: в России, то моя энтропия для вас будет высока, всё-таки Россия большая страна. Если же я назову вам свой почтовый индекс: 603081, то моя энтропия для вас понизится, поскольку вы получите больше информации.
почтовый индекс
Почтовый индекс содержит шесть цифр, то есть я дал вам шесть символов информации. Энтропия вашего знания обо мне понизилась приблизительно на 6 символов. (На самом деле, не совсем, потому что некоторые индексы отвечают большему количеству адресов, а некоторые — меньшему, но мы этим пренебрежём).
игральные кости
Или рассмотрим другой пример. Пусть у меня есть десять игральных костей (шестигранных), и выбросив их, я вам сообщаю, что их сумма равна 30. Зная только это, вы не можете сказать, какие конкретно цифры на каждой из костей — вам не хватает информации. Эти конкретные цифры на костях в статистической физике называют микросостояниями, а общую сумму (30 в нашем случае) — макросостоянием. Существует 2 930 455 микросостояний, которые отвечают сумме равной 30. Так что энтропия этого макросостояния равна приблизительно 6,5 символам (половинка появляется из-за того, что при нумерации микросостояний по порядку в седьмом разряде вам доступны не все цифры, а только 0, 1 и 2).

Читайте также  Холодильник дон кто производитель

А что если бы я вам сказал, что сумма равна 59? Для этого макросостояния существует всего 10 возможных микросостояний, так что его энтропия равна всего лишь одному символу. Как видите, разные макросостояния имеют разные энтропии.

Пусть теперь я вам скажу, что сумма первых пяти костей 13, а сумма остальных пяти — 17, так что общая сумма снова 30. У вас, однако, в этом случае имеется больше информации, поэтому энтропия системы для вас должна упасть. И, действительно, 13 на пяти костях можно получить 420-ю разными способами, а 17 — 780-ю, то есть полное число микросостояний составит всего лишь 420х780 = 327 600. Энтропия такой системы приблизительно на один символ меньше, чем в первом примере.

Мы измеряем энтропию как количество символов, необходимых для записи числа микросостояний. Математически это количество определяется как логарифм, поэтому обозначив энтропию символом S, а число микросостояний символом Ω, мы можем записать:

Это есть ничто иное как формула Больцмана (с точностью до множителя k, который зависит от выбранных единиц измерения) для энтропии. Если макросостоянию отвечают одно микросостояние, его энтропия по этой формуле равна нулю. Если у вас есть две системы, то полная энтропия равна сумме энтропий каждой из этих систем, потому что log(AB) = log A + log B.
больцман
Из приведённого выше описания становится понятно, почему не следует думать об энтропии как о собственном свойстве системы. У системы есть опеделённые внутренняя энергия, импульс, заряд, но у неё нет определённой энтропии: энтропия десяти костей зависит от того, известна вам только их полная сумма, или также и частные суммы пятёрок костей.

Другими словами, энтропия — это то, как мы описываем систему. И это делает её сильно отличной от других величин, с которыми принято работать в физике.

Физический пример: газ под поршнем

Классической системой, которую рассматривают в физике, является газ, находящийся в сосуде под поршнем. Микросостояние газа — это положение и импульс (скорость) каждой его молекулы. Это эквивалентно тому, что вы знаете значение, выпавшее на каждой кости в рассмотренном раньше примере. Макросостояние газа описывается такими величинами как давление, плотность, объём, химический состав. Это как сумма значений, выпавших на костях.

Величины, описывающие макросостояние, могут быть связаны друг с другом через так называемое «уравнение состояния». Именно наличие этой связи позволяет, не зная микросостояний, предсказывать, что будет с нашей системой, если начать её нагревать или перемещать поршень. Для идеального газа уравнение состояния имеет простой вид:

хотя вы, скорее всего, лучше знакомы с уравнением Клапейрона — Менделеева pV = νRT — это то же самое уравнение, только с добавлением пары констант, чтобы вас запутать. Чем больше микросостояний отвечают данному макросостоянию, то есть чем больше частиц входят в состав нашей системы, тем лучше уравнение состояния её описывают. Для газа характерные значения числа частиц равны числу Авогадро, то есть составляют порядка 10 23 .

Величины типа давления, температуры и плотности называются усреднёнными, поскольку являются усреднённым проявлением постоянно сменяющих друг друга микросостояний, отвечающих данному макросостоянию (или, вернее, близким к нему макросостояниям). Чтобы узнать в каком микросостоянии находится система, нам надо очень много информации — мы должны знать положение и скорость каждой частицы. Количество этой информации и называется энтропией.

Как меняется энтропия с изменением макросостояния? Это легко понять. Например, если мы немного нагреем газ, то скорость его частиц возрастёт, следовательно, возрастёт и степень нашего незнания об этой скорости, то есть энтропия вырастет. Или, если мы увеличим объём газа, отведя поршень, увеличится степень нашего незнания положения частиц, и энтропия также вырастет.

Твёрдые тела и потенциальная энергия

Если мы рассмотрим вместо газа какое-нибудь твёрдое тело, особенно с упорядоченной структурой, как в кристаллах, например, кусок металла, то его энтропия будет невелика. Почему? Потому что зная положение одного атома в такой структуре, вы знаете и положение всех остальных (они же выстроены в правильную кристаллическую структуру), скорости же атомов невелики, потому что они не могут улететь далеко от своего положения и лишь немного колеблются вокруг положения равновесия.
кристаллическая стурктура
Если кусок металла находится в поле тяготения (например, поднят над поверхностью Земли), то потенциальная энергия каждого атома в металле приблизительно равна потенциальной энергии других атомов, и связанная с этой энергией энтропия низка. Это отличает потенциальную энергию от кинетической, которая для теплового движения может сильно меняться от атома к атому.

Если кусок металла, поднятый на некоторую высоту, отпустить, то его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую энергию, но энтропия возрастать практически не будет, потому что все атомы будут двигаться приблизительно одинаково. Но когда кусок упадёт на землю, во время удара атомы металла получат случайное направление движения, и энтропия резко увеличится. Кинетическая энергия направленного движения перейдёт в кинетическую энергию теплового движения. Перед ударом мы приблизительно знали, как движется каждый атом, теперь мы эту информацию потеряли.

Понимаем второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия (замкнутой системы) никогда не уменьшается. Мы теперь можем понять, почему: потому что невозможно внезапно получить больше информации о микросостояниях. Как только вы потеряли некую информацию о микросостоянии (как во время удара куска металла об землю), вы не можете вернуть её назад.
нельзя просто так взять и объяснить второй закон термодинамики
Давайте вернёмся обратно к игральным костям. Вспомним, что макросостояние с суммой 59 имеет очень низкую энтропию, но и получить его не так-то просто. Если бросать кости раз за разом, то будут выпадать те суммы (макросостояния), которым отвечает большее количество микросостояний, то есть будут реализовываться макросостояния с большой энтропией. Самой большой энтропией обладает сумма 35, и именно она и будет выпадать чаще других. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики. Любое случайное (неконтролируемое) взаимодействие приводит к росту энтропии, по крайней мере до тех пор, пока она не достигнет своего максимума.

Перемешивание газов

И ещё один пример, чтобы закрепить сказанное. Пусть у нас имеется контейнер, в котором находятся два газа, разделённых расположенной посередине контейнера перегородкой. Назовём молекулы одного газа синими, а другого — красными.

Если открыть перегородку, газы начнут перемешиваться, потому что число микросостояний, в которых газы перемешаны, намного больше, чем микросостояний, в которых они разделены, и все микросостояния, естественно, равновероятны. Когда мы открыли перегородку, для каждой молекулы мы потеряли информацию о том, с какой стороны перегородки она теперь находится. Если молекул было N, то утеряно N бит информации (биты и символы, в данном контексте, это, фактически, одно и тоже, и отличаются только неким постоянным множителем).

Разбираемся с демоном Максвелла

Ну и напоследок рассмотрим решение в рамках нашей парадигмы знаменитого парадокса демона Максвелла. Напомню, что он заключается в следующем. Пусть у нас есть перемешанные газы из синих и красных молекул. Поставим обратно перегородку, проделав в ней небольшое отверстие, в которое посадим воображаемого демона. Его задача — пропускать слева направо только красных, и справа налево только синих. Очевидно, что через некоторое время газы снова будут разделены: все синие молекулы окажутся слева от перегородки, а все красные — справа.
демон максвелла
Получается, что наш демон понизил энтропию системы. С демоном ничего не случилось, то есть его энтропия не изменилась, а система у нас была закрытой. Получается, что мы нашли пример, когда второй закон термодинамики не выполняется! Как такое оказалось возможно?

Решается этот парадокс, однако, очень просто. Ведь энтропия — это свойство не системы, а нашего знания об этой системе. Мы с вами знаем о системе мало, поэтому нам и кажется, что её энтропия уменьшается. Но наш демон знает о системе очень много — чтобы разделять молекулы, он должен знать положение и скорость каждой из них (по крайней мере на подлёте к нему). Если он знает о молекулах всё, то с его точки зрения энтропия системы, фактически, равна нулю — у него просто нет недостающей информации о ней. В этом случае энтропия системы как была равна нулю, так и осталась равной нулю, и второй закон термодинамики нигде не нарушился.

Но даже если демон не знает всей информации о микросостоянии системы, ему, как минимум, надо знать цвет подлетающей к нему молекулы, чтобы понять, пропускать её или нет. И если общее число молекул равно N, то демон должен обладать N бит информации о системе — но именно столько информации мы и потеряли, когда открыли перегородку. То есть количество потерянной информации в точности равно количеству информации, которую необходимо получить о системе, чтобы вернуть её в исходное состояние — и это звучит вполне логично, и опять же не противоречит второму закону термодинамики.

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.

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:

Готовые работы на аналогичную тему

  • 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.

Читайте также  Телевизоры шиваки кто производитель

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.

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.

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.

Энтропия (классическая термодинамика) — Entropy (classical thermodynamics)

В классической термодинамике , энтропия является свойством термодинамической системы , выражающим направление или исход спонтанных изменений в системе. Термин был введен Рудольфом Клаузиусом в середине девятнадцатого века от греческого слова τρoπή ( преобразование ), чтобы объяснить взаимосвязь внутренней энергии, которая доступна или недоступна для преобразований в форме тепла и работы . Энтропия предсказывает, что определенные процессы необратимы или невозможны, несмотря на то, что они не нарушают закон сохранения энергии . Определение энтропии занимает центральное место в установлении второго закона термодинамики , который гласит, что энтропия изолированных систем не может уменьшаться со временем, поскольку они всегда стремятся достичь состояния термодинамического равновесия , при котором энтропия наиболее высока. Поэтому энтропия также считается мерой беспорядка в системе.

Людвиг Больцманн объяснил энтропию как меру количества возможных микроскопических конфигураций Ω отдельных атомов и молекул системы (микросостояний), которые соответствуют макроскопическому состоянию (макросостоянию) системы. Он показал, что термодинамическая энтропия равна k ln Ω , где коэффициент k с тех пор известен как постоянная Больцмана .

СОДЕРЖАНИЕ

Концепция

Различия в давлении, плотности и температуре термодинамической системы со временем выравниваются. Например, в комнате со стаканом тающего льда разница температур между теплой комнатой и холодным стеклом льда и воды уравновешивается за счет энергии, перетекающей в виде тепла из комнаты в более прохладную смесь льда и воды. Со временем температура стекла и его содержимого и температура в помещении достигают баланса. Энтропия комнаты уменьшилась. Однако энтропия стакана льда и воды увеличилась больше, чем энтропия комнаты. В изолированной системе , такой как комната и ледяная вода, вместе взятые, распределение энергии от более теплых к более холодным областям всегда приводит к чистому увеличению энтропии. Таким образом, когда система комнаты и системы ледяной воды достигла теплового равновесия, изменение энтропии по сравнению с начальным состоянием будет максимальным. Энтропия термодинамической системы является мерой прогресса выравнивания.

Многие необратимые процессы приводят к увеличению энтропии. Один из них — смешивание двух или более разных веществ, вызванное их объединением путем удаления разделяющей их стенки, поддерживая постоянными температуру и давление. Перемешивание сопровождается энтропией перемешивания . В важном случае смешения идеальных газов комбинированная система не изменяет свою внутреннюю энергию работой или теплопередачей; тогда увеличение энтропии полностью происходит за счет распространения различных веществ в их новый общий объем.

С макроскопической точки зрения в классической термодинамике энтропия — это функция состояния термодинамической системы : то есть свойство, зависящее только от текущего состояния системы, независимо от того, как это состояние было достигнуто. Энтропия — ключевой компонент Второго закона термодинамики , который имеет важные последствия, например, для работы тепловых двигателей, холодильников и тепловых насосов.

Определение

Согласно равенству Клаузиуса для замкнутой однородной системы, в которой имеют место только обратимые процессы,

Поскольку T представляет собой однородную температуру замкнутой системы, а дельта Q — инкрементная обратимая передача тепловой энергии в эту систему.

Это означает, что линейный интеграл не зависит от пути. ∫ L δ Q Т < displaystyle int _ < frac < delta Q>>>

Функция состояния S , называемая энтропией, может быть определена, которая удовлетворяет

Измерение энтропии

Термодинамическое состояние однородной замкнутой системы определяется ее температурой Т и давления Р . Изменение энтропии можно записать как

Первый вклад зависит от теплоемкости при постоянном давлении C P через

Это результат определения теплоемкости как δQ = C P d T и T d S = δQ . Второй член можно переписать одним из соотношений Максвелла

и определение объемного коэффициента теплового расширения

С помощью этого выражения энтропия S при произвольных P и T может быть связана с энтропией S в некотором эталонном состоянии при P и T 0 в соответствии с

В классической термодинамике энтропию исходного состояния можно положить равной нулю при любой удобной температуре и давлении. Например, для чистых веществ энтропию твердого вещества при температуре плавления при 1 бар можно принять равной нулю. С более фундаментальной точки зрения, третий закон термодинамики предполагает, что для идеально упорядоченных материалов, таких как кристаллы, предпочтительнее принимать S = 0 при T = 0 ( абсолютный ноль ).

S ( P , T ) определяется по определенному пути на PT- диаграмме: интегрирование по T при постоянном давлении P , так что d P = 0 , а во втором интеграле интегрируется по P при постоянной температуре T , так что d T = 0 . Поскольку энтропия является функцией состояния, результат не зависит от пути.

Приведенное выше соотношение показывает, что определение энтропии требует знания теплоемкости и уравнения состояния (которое является соотношением между P , V и T рассматриваемого вещества). Обычно это сложные функции, и требуется численное интегрирование. В простых случаях можно получить аналитические выражения для энтропии. В случае идеального газа теплоемкость постоянна, и закон идеального газа PV = nRT дает, что α V V = V / T = nR / p , где n — число молей, а R — молярная постоянная идеального газа. Итак, молярная энтропия идеального газа определяется выражением

В этом выражении C P теперь — молярная теплоемкость.

Энтропия неоднородных систем — это сумма энтропий различных подсистем. Законы термодинамики строго соблюдаются для неоднородных систем, даже если они могут быть далеки от внутреннего равновесия. Единственное условие — термодинамические параметры составляющих подсистем (разумно) четко определены.

Диаграммы температура-энтропия

Значения энтропии важных веществ можно получить из справочных материалов или с помощью коммерческого программного обеспечения в табличной форме или в виде диаграмм. Одна из самых распространенных диаграмм — диаграмма температура-энтропия (TS-диаграмма). Например, на рисунке 2 показана TS-диаграмма азота, изображающая кривую плавления и значения насыщенной жидкости и пара с изобарами и изентальпами.

Изменение энтропии при необратимых превращениях

Рассмотрим теперь неоднородные системы, в которых могут иметь место внутренние преобразования (процессы). Если мы вычисляем энтропию S 1 до и S 2 после такого внутреннего процесса, второй закон термодинамики требует, чтобы S 2S 1, где знак равенства имеет место, если процесс обратим. Разница S i = S 2S 1 — это производство энтропии за счет необратимого процесса. Второй закон требует, чтобы энтропия изолированной системы не могла уменьшаться.

Предположим, что система термически и механически изолирована от окружающей среды (изолированная система). Например, рассмотрим изолирующий жесткий ящик, разделенный подвижной перегородкой на два объема, каждый из которых заполнен газом. Если давление одного газа выше, он будет расширяться за счет перемещения перегородки, тем самым выполняя работу над другим газом. Кроме того, если газы имеют разные температуры, тепло может переходить от одного газа к другому при условии, что перегородка обеспечивает теплопроводность. Полученный выше результат показывает, что энтропия системы в целом будет увеличиваться во время этих процессов. Существует максимальное количество энтропии, которым система может обладать в данных обстоятельствах. Эта энтропия соответствует состоянию устойчивого равновесия , поскольку преобразование в любое другое состояние равновесия привело бы к уменьшению энтропии, что запрещено. Как только система достигает состояния максимальной энтропии, никакая часть системы не может выполнять работу ни с какой другой частью. Именно в этом смысле энтропия — это мера энергии в системе, которую нельзя использовать для выполнения работы.

An необратимый процесс ухудшает производительность термодинамической системы, предназначенной для выполнения работы или производить охлаждение, и приводит к энтропии производства . Генерация энтропии при обратимом процессе равна нулю. Таким образом, производство энтропии является мерой необратимости и может использоваться для сравнения инженерных процессов и машин.

Читайте также  Что такое ноу фрост в морозильной камере

Тепловые машины

Определение Клаузиуса S как значительного количества было мотивировано изучением обратимых и необратимых термодинамических превращений. Тепловой двигатель представляет собой термодинамическую систему , которая может пройти последовательность преобразований , которые в конечном счете , возвращают его в исходное состояние. Такая последовательность называется циклическим процессом или просто циклом . Во время некоторых преобразований двигатель может обмениваться энергией с окружающей средой. Чистый результат цикла:

  1. механическая работа, выполняемая системой (которая может быть положительной или отрицательной , последнее означает, что работа выполняется над двигателем),
  2. тепло передается из одной части окружающей среды в другую. В установившемся режиме за счет сохранения энергии чистая энергия, теряемая окружающей средой, равна работе, выполняемой двигателем.

Если каждое преобразование в цикле обратимо, цикл обратим, и он может выполняться в обратном направлении, так что теплопередачи происходят в противоположных направлениях, а объем выполненной работы меняет знак.

Тепловые двигатели

Рассмотрим тепловой двигатель, работающий между двумя температурами T H и T a . Под T a мы имеем в виду температуру окружающей среды, но, в принципе, это может быть и другая низкая температура. Тепловой двигатель находится в тепловом контакте с двумя тепловыми резервуарами, которые должны иметь очень большую теплоемкость, так что их температура не изменится значительно, если тепло Q H удаляется из горячего резервуара, а Q a добавляется в нижний резервуар. При нормальной работе T H > T a и Q H , Q a и W положительны.

В качестве нашей термодинамической системы мы берем большую систему, которая включает двигатель и два резервуара. Это обозначено на рисунке 3 пунктирным прямоугольником. Он неоднородный, замкнутый (без обмена веществом с окружающей средой) и адиабатический (без теплообмена с окружающей средой ). Он не изолирован, поскольку за цикл определенное количество работы W производится системой, заданной Первым законом термодинамики.

Мы использовали тот факт, что сам двигатель периодический, поэтому его внутренняя энергия не изменилась за один цикл. То же самое верно и для его энтропии, поэтому увеличение энтропии S 2S 1 нашей системы после одного цикла определяется уменьшением энтропии горячего источника и увеличением холодного стока. Увеличение энтропии всей системы S 2S 1 равно производству энтропии S i за счет необратимых процессов в двигателе, поэтому

Второй закон требует, чтобы S i ≥ 0. Исключение Q a из двух соотношений дает

Первый член — это максимально возможная работа теплового двигателя, создаваемого реверсивным двигателем, как работающего по циклу Карно . Ну наконец то

Это уравнение говорит нам, что производство работы уменьшается за счет генерации энтропии. Термин T a S i обозначает потерянную работу или рассеянную энергию машиной.

Соответственно, количество тепла, отводимого в холодный сток, увеличивается за счет генерации энтропии.

Q а знак равно Т а Т ЧАС Q ЧАС + Т а S я знак равно Q а , м я п + Т а S я . < displaystyle Q_ = < frac >> Q_ + T_ S_ = Q_ > + T_ <как и я>.>

Эти важные соотношения можно получить и без включения тепловых резервуаров. См. Статью о производстве энтропии .

Холодильники

Тот же принцип можно применить к холодильнику, работающему между низкой температурой T L и температурой окружающей среды. Схематический рисунок в точности такой же, как на рисунке 3, с заменой T H на T L , Q H на Q L и обратным знаком W. В этом случае производство энтропии равно

а работа, необходимая для отвода тепла Q L от источника холода, равна

Первый член — это минимально необходимая работа, которая соответствует реверсивному холодильнику, поэтому имеем

то есть, компрессор холодильника должен выполнять дополнительную работу, чтобы компенсировать рассеиваемую энергию из-за необратимых процессов, которые приводят к производству энтропии .

Что такое энтропия

Энтропия — это размытое понятие, так как применяется во многих областях человеческой деятельности. Если рассматривать данный термин в широком смысле, то энтропия описывает состояние хаоса в системах. Она определяет степень порядка и определённости в таких областях, как химия, физика, информатика. На греческом языке это слово означает преобразование, превращение. Сегодня подробней разберёмся в этом понятии и укажем на его историю происхождения.

В конце статьи объясним, что такое энтропия во вселенной. Все рекомендации предназначены лишь для ознакомления, а потому при возникновении серьёзных проблем обращайтесь за квалифицированной медицинской помощью.

Энтропия: разбор понятия и примеры

Энтропия разбор понятия и примеры

Термин энтропия отображающий меру хаоса можно разобрать на простых примерах. Документ из тысячи листов аккуратно собранных вместе — это пример упорядоченной системы, где энтропия имеет малые значения. В высокой степени можно представить на примере унесённой и разбросанной по улице тысячи листов.

Читайте также: Что такое эскапизм

Закрытый письменный стол с бумагами можно представить как пример такой закрытой системы как энтропия. Если документы в ящике стола находятся в неаккуратном состоянии, то в закрытой системе привести их в порядок невозможно. Хаос разбросанных документов будет сохраняться некоторое время, но когда-нибудь всё вернётся к порядку. Через определённое время бумага разложится, и степень закрытой системы понизится. Разложение документов в изолированной системе — это возвращение к порядку.

Энтропия: история происхождения

Появлению такого понятия, как энтропия поспособствовали важные процессы в обществе. Человечество на протяжении всей своей истории пыталась упростить работу. Для этого её пытались механизировать, создавая различные машины и инструменты.

Первые записи о разработке вечного двигателя датируются XVI веком. С того времени было совершено множество попыток создать вечный двигатель, но все они провалились. Бесчисленное количество неудач подтолкнуло учёных к пониманию законов природы, что впоследствии создало такую дисциплину как термодинамика.

Закон термодинамики

Для работы термодинамической системы необходимы ресурсы, которые могут выделять достаточное количество энергии. Данное требование является законом сохранения электроэнергии в термодинамики. Этот закон утверждает, что разработка и создания вечного двигателя противоестественно законам природы.

Вечный двигатель в работе не использует энергию, что нарушает закон термодинамики. Человечеству ещё неизвестны такие технологии, которые позволил бы создать вечный двигатель.

Влияние термодинамики

Влияние термодинамики

Второе начало термодинамики было разработано в 1865 году. Данный закон созданный учёным Клаузиусом считает, что повторяющийся процесс не может существовать, если тепло передаётся только от одного тела к другому. Позднее учёный Клаузиус впервые использовал термин энтропия. Под этим понятием считается функция, которая описывает процесс перехода тепловой энергии в механическую. Немного позднее учёный открыл закон, который утверждает, что в замкнутой системе энтропия не уменьшается, а увеличивается.

В течение длительного времени термин использовали только в термодинамике, но впоследствии оно было заимствовано другими областями человеческой деятельности. Вскоре понятие начало использоваться в разных отраслях науки, поэтому термин имеет множество определений.

Энтропия: замкнутая система в физике

Энтропия замкнутая система в физике

Пример: замкнутая система — человек играет в смартфон. Игра быстро истощает заряд батареи. Через 3–5 часов аккумулятор полностью разряжается, и играть дальше уже нельзя.

Замкнутая система открывается: пользователь ставит телефон на подзарядку. Через некоторое время функция смартфона подвергнутого такому процессу, как энтропия восстанавливается.

Второй закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия не уменьшается, а только увеличивается. Даже если пользователь смартфона не будет играть в онлайн-игры, энтропия всё равно будет увеличиваться, но в меньших масштабах.

Простой пример

Смартфон долгое время пролежал в шкафу. Его аккумулятор разрядился, а сам он покрылся пылью. Чтобы уменьшить преобразование в замкнутой системе, нужно его открыть и добавить ресурс из другой системы.

Следовательно, чтобы смартфон вновь можно было пользоваться, нужно ввести в замкнутую систему изменения с помощью заряда аккумулятора или его замены. Чтобы смартфон стал выглядеть как новый, его нужно протереть от пыли, заменить покрытие экрана и купить новый чехол.

Энтропия в социологии

Энтропия в социологии

В социологии такое понятие, как энтропия принято считать информационной неопределённостью. Она является отклонением некоторой части характеристик единой эталонной системы социума. Данный анализ проводится с различными группами людей. Характеристика отклонения от нормы приводит к снижению эффективности развития, работоспособности или всей системы, что ведёт к ухудшению самоорганизации.

Пример высокой информационной неопределённости заключается в следующем. Офисные работники из-за загруженности сдачи отчётов о проведённой деятельности не успевают выполнять другие ни менее важные задачи. В данном примере можно выявить неэффективное управление руководством компании.

Энтропия в экономике

Для лучшего понимания такого понятия, как энтропия в экономике нужно определить границы. Экономическая концепция предусматривает денежный поток средств, который движется в одну сторону по цепочке от потребителей к производителям.

Производители реализуют товар посредникам и поставщикам по цене, превышающей в несколько раз изначально затраченную сумму на его производство. Данный асимметрический поток средств помогает проследить за экономической энтропией.

Пример из экономики

Пример из экономики

Есть два объекта: один — горячий, другой — холодный. Есть ещё одно тело, которое используют для измерения энтропии в системе, а для этого она перемещаются от одного объекта к другому. Замкнутая система, в которой происходит данный процесс, может существовать, только если энтропия постоянно будет увеличиваться.

Горячий объект — это двигатель экономической энтропии. Он производит энергию для определённой работы. Допустим, горячий объект, представляет компанию, а его производимое тепло — это доходы. Холодный объект получает тепло, компенсируя горячему телу, т.е. производителю расходы на ресурсы, услуги, производство товара, реализацию и рекламу.

Ещё один пример

Представим другой пример: потребительский спрос — это горячие тело, а производители — это холодный объект. Рыночная цена за определённую единицу товара или услуг выверяется из общей температуры экономики. Изначальную цену на производство единицы товара можно выяснить из температуры рынка производителей.

Экономическая энтропия призвана определять неэффективность рынка. Часто её используют для измерения эффективности работы компаний, фирм и предприятий. С помощью такого понятия, как энтропия в экономике выясняют проблемы и предотвращают потерю средств и человеческих ресурсов. Идеально настроенный двигатель экономики обеспечивает развитие компании, и рост прибыли, а также стабильность цен, и повышение этого значения.

Энтропия во вселенной

Энтропия во вселенной

Астрофизики в теории предположили, что одним вариантом изменением вселенной в будущем будет тепловая смерть.

Структура вселенной наполнена хаосом. В ней происходит рождение и угасание звёзд и галактик. Процесс формирования новых звёзд со временем будет уменьшаться, пока не будет, израсходован весь строительный материал. Однажды энтропия вселенной станет максимальной, и звёзды перестанут появляться, а старые — потухнут. Так наступит смерть звёзд.

Читайте также: Что такое сознание

Всё пронизано хаосом. Космос, природа, элементарные частицы и атомы находятся в постоянном движении, взаимодействуя друг с другом. Данный процесс можно сравнить с налаженным механизмом, а управляет всё этим законы.

Вселенная наделена высоким уровнем энтропии, но наличие хаоса не помешало зарождению жизни. Причина заключается в передачи такого процесса, как энтропия от большого объекта к меньшим телам. Например, в понижении энтропии на Земле участвует Солнце, которое снабжает планету солнечной радиацией. Земля не является закрытой системой, так как она может взаимодействовать с космическими и внутренними объектами. Из-за этого энтропия остаётся на умеренном уровне.

Спасибо, что прочли статью до конца и не забывайте делиться информацией в социальных сетях, ведь Вам несложно, а нам приятно.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: