Тексти знань; Ентропія I
позаштатний редактор та автор
Тексти знань
Знання фізики
Ентропія I
Ентропія замкнутої системи сама по собі не зменшується.
- фізика.
Wissenstexte.de - оптика
- механіка
- Електричний-
магнетизм - Будова речовини
- землі
- термодинаміка
- Ентропія I
- Ентропія II
- Тиск пари
- Переохолодження
- P, T, V
- Карно
- Теплопровідність
- Паровий двигун
& Co.
- Все це …
1-й і 2-й закон термодинаміки - межі перетворення енергії
Мати можливість використовувати ту саму енергію знову і знову - це було б непогано. Можна, так би мовити, знову зібрати енергію опалення і знову використовувати її для обігріву приміщення. Але ми знаємо, що це неможливо, і щороку з’являється новий рахунок за газ.
Перший закон термодинаміки - Закон збереження енергії - визначає лише «загальний баланс», тобто той факт, що загальна енергія замкнутої системи не повинна збільшуватися або зменшуватися. Він забороняє створювати (або зникати) ні в чому енергію, і що робота може виконуватися без використання енергії. Однозначно проти другий закон термодинаміки, наскільки ті форми енергії можуть перетворюватися одна на одну, а які процеси відбуваються спонтанно. Теплова енергія не може бути повністю перетворена в інші форми енергії; залишкова кількість тепла завжди виділяється в навколишнє середовище без використання. Тепло, яке подається до парової машини, не може бути повністю перетворене в механічну енергію для руху поршня, а частина його "спалахне" невикористаним в навколишнє середовище.
Оборотні та незворотні процеси
У природі всі процеси незворотні. Тим не менше, в процесі мисленнєвих експериментів іноді використовуються оборотні процеси. Одним з таких мислительних експериментів є цикл Карно, в якому машина забирає тепло з високотемпературного сховища тепла чотирма оборотними кроками і отримує роботу. Однак не все поглинене тепло можна перетворити на роботу. Частина тепла не використовується і передається у другий резервуар для зберігання тепла при більш низькій температурі.
Отже, це вже стосується оборотних процесів, при яких тепло не може бути повністю перетворене в роботу, тобто навіть якщо втрати на тертя відсутні!
У машинах, які працюють незворотно, робота, отримана від нагрівання, ще менша; більше тепла втрачається невикористаним через тертя або втрати випромінювання, ніж при машинах, які працюють оборотно.
Точне формулювання другого закону термодинаміки: Неможливо побудувати періодично працюючу машину, єдиний ефект якої полягає у виконанні механічних робіт та охолодженні акумулятора тепла. (Періодично працююча машина може, наприклад, бути таким циклом, як цикл Карно.)
Ми вже знаємо друге формулювання другого закону з повсякденного життя: Тепло не може переходити від більш холодного тіла до більш теплого. Чашка чаю завжди буде охолоджуватися сама по собі і ніколи не буде поглинати тепло з повітря і нагріватися. Якби тепло само по собі переходило від більш холодного до більш теплого тіла, можна було б, наприклад, використовувати теплову енергію Світового океану і мати б квазі невичерпне джерело енергії.
Ентропія та другий закон термодинаміки
Якщо додати в систему тепло (Q), це також збільшує її ентропію (S). Наступне стосується оборотних процесів:
dS = dQоборотний/T,
тобто зміна ентропії dS пропорційна нагріванню dQ, що додається або відводиться, і обернено пропорційна температурі T, при якій це відбувається. Чим більше подається тепла, тим більше збільшується ентропія тіла. Якщо до холодного тіла прикласти таку ж кількість тепла, як тепле, то ентропія в холодному тілі збільшується більше.
Якщо тепло тертя відбувається в незворотному процесі, це спричиняє додаткове збільшення ентропії. Це означає, що загальне збільшення ентропії більше (або, у випадку тепловіддачі, загальне зменшення ентропії менше), ніж у оборотному випадку, і рівняння стає:
dS> dQоборотний/T.
Давайте тепер розглянемо a термічно закрита система, немає теплообміну з навколишнім середовищем, а dQ дорівнює нулю. Це означає, що dS = 0 для оборотних процесів, а dS> 0 для незворотних, тобто реальних процесів.
Це третя - і, мабуть, найвідоміша - формулювання 2-го закону термодинаміки:
Ентропія замкнутої системи сама по собі не зменшується.
Це означає, що ентропія взагалі не може зменшуватися в закритих системах - оскільки зменшення ентропії в системі може бути зумовлене лише зовнішнім впливом, і це точно виключено в закритих системах.
При оборотних процесах, в яких не створюється тертя тертя, ентропія залишається незмінною в закритих системах. Оскільки в реальності немає оборотних процесів, цей випадок є цілком теоретичним. У всіх реальних процесах ентропія у замкнутих системах може зростати лише сама по собі.
У закритих системах можуть відбуватися лише спонтанні процеси, тобто процеси, що протікають самі по собі - зовнішні впливи виключаються. Згідно з другим законом, спонтанно можуть відбуватися лише ті процеси, при яких ентропія зростає; і робить це до тих пір, поки не буде досягнуто рівноваги і процес не зупиниться. Тоді ентропія має максимальне значення. Тоді вже нічого не відбувається - і якщо немає процесів, ентропія також не змінюється.
2-й закон визначає напрямок, в якому процеси протікають стихійно - а саме у бік збільшення ентропії. Зворот цих процесів не відбувається сам по собі. Ось чому ви можете визначити, рухається фільм вперед чи назад - саме так ентропія створює вісь часу.
Ентропія та розлад
Дещо ослаблений спосіб розмовного ототожнення ентропії з розладом є дещо проблематичним. Цілком можна уявити, що газ, в якому частинки дико літають одна біля одної, є більш брудним, ніж кристал, в якому частинки міцно сидять на своїх гратчастих позиціях. Однак насправді не в цьому полягає ентропія.
Рис. 1а ¦ Молодіжна пожежна команда з низькою ентропією Заголовок Набагато менше можливостей скласти молодіжних пожежників з району Росток у форму "JF LRO" ... Кінець підпису Рис. 1б ¦ Молодіжна пожежна команда з високою ентропією Заголовок ... ніж зіпсувати їх усіх. Тому цей стан має значно вищу ентропію, ніж на малюнку вище (пояснення в наступному тексті).
Фотографії були зроблені під час щорічного конкурсу «Ігри без кордонів», організованого молодіжними пожежними командами Ростокського району. (Джерело: Kreisfeuerwehrverband Landkreis Rostock) Заголовок закінчення
Макроскопічно розташування однієї частинки в холодному кристалі контрастує з великою кількістю рідини. Отже, якщо купа частинок перебуває у стані, це набагато більше шансів бути рідиною, ніж кристалом. Якщо хаотично і наосліп дістати з мішка 1 000 000 червоних і зелених носків, це майже напевно буде червоним.