Текстове на знания; Ентропия I

редактор и автор на свободна практика

Текстове на знанието

Познания по физика

Ентропия I

Ентропията на затворена система не намалява сама по себе си.

физика.
Wissenstexte.de
оптика
механика
Електрически-
магнетизъм
Структура на материята
земя
термодинамика
- Ентропия I
- Ентропия II
- Налягане на парите
- Хипотермия
- P, T, V
- Карно
- Топлопроводимост
- Парен двигател
  & Ко.
Всичко това …

1-ви и 2-ри закон на термодинамиката - граници на преобразуване на енергия

Да можеш да използваш една и съща енергия отново и отново - това би било хубаво. В известен смисъл можете отново да съберете отоплителната енергия и да я използвате за отопление на помещението отново. Но знаем, че това не е възможно и че всяка година има нова сметка за газ.

Първият закон на термодинамиката - на Закон за запазване на енергията - определя само „общото равновесие“, т.е. фактът, че общата енергия на затворена система не трябва да се увеличава или намалява. Забранява енергията да се създава (или да изчезва в нищо) и че работата може да се извършва без да се използва енергия. Определено против вторият закон на термодинамиката, до каква степен кои форми на енергия могат да се трансформират една в друга и кои процеси протичат спонтанно. Топлинната енергия не може да бъде напълно превърната в други форми на енергия; остатъчното количество топлина винаги се отделя в околната среда, без да се използва. Топлината, която се подава към парна машина, не може да бъде напълно преобразувана в механична енергия на движението на буталото; част от нея „изгасва“ неизползвана в околната среда.

Обратими и необратими процеси

В природата всички процеси са необратими. Независимо от това, в мисловните експерименти понякога се използват обратими процеси. Един такъв мисловен експеримент е цикълът на Карно, при който една машина взима топлина от топлинен склад с висока температура в четири обратими стъпки и получава работа. Не цялата абсорбирана топлина обаче може да се превърне в работа. Част от топлината не се използва и се прехвърля във втори резервоар за съхранение на топлина при по-ниска температура.

Така че това вече се отнася за обратими процеси, при които топлината не може да се превърне напълно в работа - дори ако няма загуби от триене!

При машини, които работят необратимо, работата, получена от топлината, е още по-малка; повече топлина се губи неизползвана поради триене или загуби на радиация, отколкото при машини, които работят обратимо.

Точната формулировка на втория закон на термодинамиката е: Не е възможно да се изгради периодично работеща машина, единственият ефект от която е извършване на механична работа и охлаждане на топлинен акумулатор. (Периодично работещата машина би била например цикъл като цикъла на Карно.)

Вече познаваме втора формулировка на втория закон от ежедневието: Топлината не може сама да премине от по-студено тяло към по-топло. Чаша чай винаги ще се охлади сама и никога няма да абсорбира топлината от въздуха и да стане по-гореща. Ако топлината сама по себе си преминава от по-студено към по-топло тяло, човек може например да използва топлинната енергия на океаните и би имал практически неизчерпаем източник на енергия.

Ентропия и втори закон на термодинамиката

Ако добавите топлина (Q) към система, това също увеличава нейната ентропия (S). Следното се отнася за обратими процеси:

dS = dQобратим/T,

тоест промяната в ентропията dS е пропорционална на добавената или отстранена топлина dQ и обратно пропорционална на температурата T, при която това се случва. Колкото повече топлина се доставя, толкова повече се увеличава ентропията на тялото. Ако приложите същото количество топлина към студено тяло като топло, ентропията в студеното тяло се увеличава повече.
Ако топлината на триене също се появи в необратим процес, това води до допълнително увеличаване на ентропията. Това означава, че общото увеличение на ентропията е по-голямо (или, в случай на разсейване на топлината, общото намаляване на ентропията е по-малко), отколкото в обратимия случай и уравнението става:

dS> dQобратим/T.

Нека сега разгледаме a термично затворена система, няма топлообмен с околната среда и dQ е нула. Това означава, че dS = 0 за обратими процеси и dS> 0 за необратими, т.е. реални процеси.

Това е трета - и може би най-известната - формулировка на 2-ри закон на термодинамиката:

Ентропията на затворена система не намалява сама по себе си.

Това означава, че ентропията изобщо не може да намалее в затворени системи - тъй като намаляването на ентропията в системата може да бъде наложено само от външно въздействие и това е точно изключено в затворените системи.

При обратими процеси, при които не се генерира топлина от триене, ентропията остава постоянна в затворените системи. Тъй като в действителност няма обратими процеси, този случай е доста теоретичен. При всички реални процеси ентропията в затворените системи може само да се увеличи.
В затворени системи могат да се осъществяват само спонтанни процеси, т.е. процеси, които протичат сами - външните влияния са изключени. Според втория закон спонтанно могат да протичат само тези процеси, при които ентропията се увеличава; и го прави, докато се постигне равновесие и процесът спре. Тогава ентропията има максималната си стойност. Тогава вече нищо не се случва - и ако няма процеси, ентропията също не се променя.

Вторият закон определя посоката, в която процесите протичат спонтанно - а именно в посока на нарастващата ентропия. Обръщането на тези процеси не се случва само по себе си. Ето защо можете да разберете дали филмът се движи напред или назад - по този начин ентропията създава времева ос.

Ентропия и разстройство

Донякъде лекият начин за разговорно приравняване на ентропията с разстройство е донякъде проблематичен. Ясно е да си представим, че газът, в който частиците летят диво една около друга, е по-разхвърлян от кристал, в който частиците седят здраво в решетъчните си позиции. Обаче всъщност не това е въпросът за ентропията.

Фиг. 1а ¦ Младежка пожарна с ниска ентропия Надпис Има много по-малко възможности за подреждане на младежките членове на пожарната от квартал Росток във формация "JF LRO" ... Край на надписа Фиг. 1б ¦ Младежка пожарна с висока ентропия Надпис ... отколкото да ги объркам всички. Следователно това състояние има много по-висока ентропия от тази на снимката по-горе (обяснение в следващия текст).
Снимките са направени по време на ежегодното състезание „Игри без граници“, организирано от младежките пожарни бригади на област Росток. (Източник: Kreisfeuerwehrverband Landkreis Rostock) Край на надписа

Макроскопски разположението на една частица в студения кристал контрастира с много, много в течността. Така че, ако куп частици се окажат в състояние, е много по-вероятно да са течност, отколкото кристал. Ако произволно и сляпо изберете един от чувал с 1 000 000 червен и зелен чорап, той почти сигурно ще бъде червен.