Entropiya

Энтропия (юнонча: τροπή – айланиш, ўзгариш) – 1) термодинамикада – ҳар қандай термодинамик тизимнинг ҳолат функсияларидан бири. Ўз ҳолига қўйилган (ташқи куч таъсир этмаётган) берк тизимда жараён қайси йўналишда содир бўлишини ифодалайди. Биринчи марта термодинамик тизимнинг ҳолати функсияси сифатида термодинамика таркибига киритилган), энергиянинг қайтмас тарқалиши ёки энергиянинг самарасизлиги ўлчовини билдиради (чунки Тизимнинг барча энергиясини фойдали ишга айлантириш сарфлаб бўлмайди). Физикада термодинамик энтропия номидан фойдаланадилар; Термодинамик энтропия одатда мувозанат (қайтариладиган) жараёнларни тавсифлаш учун ишлатилади. Термодинамиканинг ИИ қонуни (қаранг Термодинамика) жараёнларнинг йўналишини аввалдан айтиб бериш имконига эга эмас. Бу қонунни таърифлаган Рудолф Cлаусиус 1865-йилда жараёнларнинг бир томонлама кечишига олиб келувчи чеклашни таҳлил қилиб, 8-функсияни киритди ва уни энтропия деб атади; 2) статик физикада – тизим ҳолатининг термодинамик эҳтимолини ифодаловчи катталик.

Энтропиянинг хоссалари:1) тажриба натижаси тўғри бўлса, яъни Р ларда биронтаси бирга, қолганлари нолга тенг бўлса, ноаниқлик ўлчами – энтропия ҳам нолга тенг бўлади; 2) тажриба натижалари тенг эҳтимолли бўлса, энтропия максимал қийматга эга бўлади; 3) бир-бирига боғлиқ бўлмаган икки тажриба энтропияси уларнинг энтропиялари йиғиндисига тенг.

Таърифлар ва тавсифлари

Мавжудлиги термодинамиканинг иккинчи қонунига бог'лиқ бўлган энтропия тушунчасини о'з ичига олган ҳар қандай усул, шубҳасиз, ко'пчилик учун тушунарсиз бо'либ туюлади ва янги бошланувчиларни тушунарсиз ва қийин деб қайтариши мумкин. тушуниш.

Энтропия тушунчаси иккита асосий ёндашув билан тавсифланади: классик термодинамиканинг макроскопик нуқтаи назари ва статистик механиканинг марказий микроскопик тавсифи. Классик ёндашув энтропияни масса, ҳажм, босим ва ҳарорат каби макроскопик ўлчанадиган жисмоний хусусиятлар нуқтаи назаридан белгилайди. Энтропиянинг статистик таърифи уни тизимнинг микроскопик таркибий қисмларининг ҳаракатлари статистикаси нуқтаи назаридан белгилайди – дастлаб классик тарзда моделлаштирилган, масалан. Газни ташкил этувчи Нютон зарралари, кейинчалик квант-механик (фотонлар, фононлар, спинлар ва бошқалар). Иккала ёндашув термодинамиканинг иккинчи қонунида ифодаланган бир хил ҳодисанинг изчил, ягона кўринишини ташкил қилади, бу физик жараёнларга универсал қўлланилишини топди.

Ҳолат ўзгарувчилари ва ҳолатларнинг функсиялари

Кўпгина термодинамик хусусиятлар термодинамик мувозанат ҳолатини аниқлайдиган физик ўзгарувчилар билан белгиланади; булар ҳолат ўзгарувчилари. Ҳолат ўзгарувчилари фақат мувозанат ҳолатига боғлиқ, бу ҳолатга ўтиш йўлига эмас. Ҳолат ўзгарувчилари ҳолат функсиялари бўлиши мумкин, улар „ҳолат функсиялари“ деб ҳам аталади, маълум маънода бир ҳолат ўзгарувчиси бошқа ҳолат ўзгарувчиларининг математик функсияси бўлиши мумкин. Кўпинча, агар тизимнинг баъзи хусусиятлари аниқланса, улар тизимнинг ҳолатини ва шунинг учун бошқа хусусиятларнинг қийматларини аниқлаш учун етарли. Масалан, маълум миқдордаги газнинг ҳарорати ва босими идеал газ қонуни орқали унинг ҳолатини ва шунинг учун ҳажмини ҳам аниқлайди. Муайян бир хил ҳарорат ва босимда бир [[Фаза (материя)|фаза]]нинг соф моддадан ташкил топган система аниқланади ва шу билан маълум бир ҳолат бўлиб, у нафақат маълум ҳажмга, балки ўзига хос энтропияга ҳам эга. Энтропиянинг ҳолат функсияси эканлиги уни фойдали қилади. Карно сиклида ишчи суюқлик цикл бошида бўлган ҳолатга қайтади, демак, бу тескари сикл бўйича ҳар қандай ҳолат функсиясининг, масалан, энтропиянинг ўзгариши ёки чизиқ интеграли нолга тенг.

Қайтариладиган жараёни

Жами энтропия қайтариладиган жараён вақтида сақланиши мумкин. Тизимнинг ${\дисплайстйле д С}$ энтропия ўзгариши (атрофдагиларни ҳисобга олмаганда) иссиқлик сифатида яхши аниқланган ${\дисплайстйле \делта Қ_\ техт{рев}}$ тизим ҳароратига бўлинган тизимга ўтказилди ${\дисплайстйле Т}$, ${\дисплайстйле д С = \фраc {\делта Қ_\техт{рев}}{Т}}$. Қайтариладиган жараён квазистатик бўлиб, у термодинамик мувозанатдан чексиз даражада четга чиқади ва ишқаланиш ёки бошқа тарқалишдан қочади. Иссиқлик мувозанатидан четга чиқиш учун тез содир бўладиган ҳар қандай жараённи қайтариб бўлмайди, умумий энтропия ошади ва жараёнда максимал иш қилиш потенциали ҳам йўқолади. Масалан, Карно сиклида иссиқ резервуардан совуқ сув омборига иссиқлик оқими совуқ сув омборида энтропиянинг ортиб боришини ифодаласа, иш унумдорлиги, агар тескари ва мукаммал бўлса. баъзи энергия сақлаш механизмида сақланади, иссиқлик двигателини тескари режимда ишлатиш ва олдинги ҳолатга қайтиш учун ишлатилиши мумкин бўлган энтропиянинг пасайишини ифодалайди; Шундай қилиб, агар бутун жараён тескари бўлса, „жами“ энтропия ўзгариши ҳар доим нолга тенг бўлиши мумкин. Қайтариб бўлмайдиган жараён тизим ва унинг атрофидаги жами энтропияни оширади.

Карно сикли

Энтропия тушунчаси Рудолф Клаузиуснинг Карно сиклини ўрганиши натижасида пайдо бўлган, бу термодинамик сикл бўлган Карно иссиқлик машинаси томонидан қайтариладиган иссиқлик двигатели сифатида амалга оширилади. Карно сиклида қиздиринг Қ_Ҳ 'иссиқ' резервуардан Т_Ҳ ҳароратда изотермик сўрилади (ичида). изотермик кенгайиш босқичи) ва изотермик иссиқлик сифатида Қ_C Т_C да 'совуқ' резервуарга берди. (изотермик сиқиш босқичида). Карно принсипи ёки теоремасига кўра, иккита термал резервуарга эга бўлган иссиқлик двигателидан иш фақат шу резервуарлар ўртасида ҳарорат фарқи мавжуд бўлгандагина ҳосил бўлиши мумкин ва маълум бир термал резервуар жуфтлиги учун барча иссиқлик двигателлари орасида кўп ва тенг даражада самарали бўлган қайтариладиган двигателлар учун иш резервуар ҳарорати ва двигателга сўрилган иссиқлик функциясидир Қ_Ҳ (иссиқлик двигателининг ишлаши = иссиқлик двигателининг самарадорлиги × двигателга иссиқлик, бу ерда самарадорлик қайтариладиган иссиқлик двигателлари учун резервуар ҳароратининг функциясидир). Карно Қ_Ҳ ва Қ_C ўртасида фарқ қилмади, чунки у калория назарияси тўғри бўлган ва шунинг учун иссиқлик сақланиб қолган деган нотўғри гипотеза (Қ_Ҳ ва Қ' деган ното'г'ри тахмин '_C катталиги бўйича тенг эди) қачонки Қ_Ҳ нинг катталиги { нинг катталигидан катта бўлса. Қ_C. Клаузиус ва саъй-ҳаракатлари билан Келвин, энди маълумки, тескари иссиқлик двигатели бажарган иш Карно самарадорлигининг маҳсулоти (бу Карно теоремаси) ва иссиқ резервуардан ютилган иссиқлик: $${\дисплайстйле W = \лефт(\фраc{Т_\техт{Ҳ}-Т_\техт{C}}{Т_\техт{Ҳ}}\ригҳт)Қ_\техт{ Ҳ} = \лефт(1-\фраc{Т_\техт{C}}{Т_\техт{Ҳ}} \ригҳт) Қ_\техт{Ҳ}}$$ {ЭқуаитонНоте|1}

Бу ерда ${\дисплайстйле W}$ – Карно иссиқлик машинаси томонидан бажариладиган иш, ${\дисплайстйле Қ_\техт{Ҳ}}$ – иссиқ резервуардан двигателга келадиган иссиқлик ва ${\дисплайстйле -\фраc{Т_ \техт{C}}{Т_\техт{Ҳ}}Қ_\техт{Ҳ}}$ – двигателдан совуқ резервуарга келадиган иссиқлик. 1 − Т_C/Т_Ҳ бўлган Карнот самарадорлигини олиш учун (рақам бирдан кам), Келвин Карнот функцияси деб аталадиган номаълум функцияни ўз ичига олган Карно-Клапейрон тенгламаси ёрдамида изотермик кенгайиш пайтида олинган ишнинг иссиқликка нисбатини баҳолаши керак эди. Карно функцияси ҳароратнинг нол нуқтасидан ўлчанадиган ҳарорат бўлиши мумкинлиги Жоуле томонидан Келвинга йўллаган мактубида таклиф қилинган. Бу Келвинга ўзининг мутлақ ҳарорат шкаласини ўрнатишга имкон берди. Бундан ташқари, маълумки, тармоқ иши W тизим томонидан бир т сиклда ишлаб чиқарилган сўрилган соф иссиқликдир, бу сўрилган иссиқликнинг йиғиндиси (ёки катталикларнинг фарқи) Қ_Ҳ > 0 иссиқ сув омбори ва чиқинди иссиқлик Қ_C < 0 совуқ сув омборига берилган: $${\дисплайстйле W=Қ_\техт{Ҳ}+Қ_\техт{C}}$$

Иккинчиси бутун т сикл давомида амал қилганлиги сабабли, бу Клаузиусга циклнинг ҳар бир босқичида иш ва иссиқлик тенг бўлмаслиги, аксинча уларнинг фарқи ҳолат функциясининг ўзгариши бўлиб, бу жараён тугагандан сўнг йўқолиши ҳақида маслаҳат берди. т сикл. Ҳолат функсияси термодинамиканинг биринчи қонунининг марказий қисми бўлган ички энергия деб аталди.