Формула энтропии. Изменение энтропии
Этот пост является вольным переводом ответа, который Mark Eichenlaub дал на вопрос What"s an intuitive way to understand entropy? , заданный на сайте Quora
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?
Если в двух словах, тоЭнтропия - это то, как много информации вам не известно о системе
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 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).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок. Формулировка Клаузиуса:невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.
Формулировка Томсона: невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела. Эта формулировка накладывает ограничение на превращение внутренней энергии в механическую. Невозможно построить машину (вечный двигатель второго рода), которая совершала бы работу только за счет получения теплоты из окружающей среды.
Формулировка Больцмана: Энтропия - это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед - в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится.Энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах - то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки.
Третье начало термодинамики (теорема Нернста ) - физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных.
Третье начало термодинамики может быть сформулировано так:
«Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система» .
где - любой термодинамический параметр.
Третье начало термодинамики относится только к равновесным состояниям.
Поскольку на основе второго начала термодинамики энтропию можно определить только с точностью до произвольной аддитивной постоянной (то есть, определяется не сама энтропия, а только её изменение):
третье начало термодинамики может быть использовано для точного определения энтропии. При этом энтропию равновесной системы при абсолютном нуле температуры считают равной нулю.
Энтропия идеальных газов
Для получения рассчетного выражения изменения энтропии идеальных газов воспользуемся первым законом термодинамики, в котором теплота определяется с использованием изменения энтальпии
Разность энтропий идеального газа в конкретных двух состояниях можно получить интегрированием выражения (4.59)
Для определения абсолюного значения энтропии идеального газа необходимо зафиксировать начало ее отсчета любой парой термических параметров состояния. Например, приняв s 0 =0 при Т 0 и Р 0 , воспользовавшись уравнением (4.60), получим
|
|
Выражение (4.62) свидетельствует о том, что энтропия идеального газа есть параметр состояния, поскольку ее можно определить через любую пару параметров состояния. В свою очередь, поскольку энтропия сама является параметром состояния, используя ее в паре с любым независимым параметром состояния, можно определить любой другой параметр состояния газа.
§6 Энтропия
Обычно всякий процесс, при котором система переходит из одного состояния в другое, протекает таким образом, что нельзя провести этот процесс в обратном направлении так, чтобы система проходила через те же промежуточные состояния, и при этом в окружающих телах не произошли какие-либо изменения. Это связано с тем, что в процессе часть энергии рассеивается, например, за счет трения, излучения и т. п. Т. о. практически все процессы в природе необратимы. В любом процессе часть энергии теряется. Для характеристики рассеяния энергии вводится понятие энтропии. (Величина энтропии характеризует тепловое состояние системы и определяет вероятность осуществления данного состояния тела. Чем более вероятно данное состояния, тем больше энтропия.) Все естественные процессы сопровождаются ростом энтропии. Энтропия остается постоянной только в случае идеализированного обратимого процесса, происходящего в замкнутой системе, то есть в системе, в которой не происходит обмен энергией с внешними по отношению к этой системе телами.
Энтропия и ее термодинамический смысл:
Энтропия - это такая функция состояния системы, бесконечно малое изменение которой в обратимом процессе равно отношению бесконечно малого количества теплоты, введенного в этом процессе, к температуре, при которой оно вводилось.
В конечном обратимом процессе изменения энтропии может быть подсчитано по формуле:
где интеграл берется от начального состояния 1 системы до конечного состояния 2.
Поскольку энтропия есть функция состояния, то свойством интеграла является его независимость от формы контура (пути), по которому он вычисляется, следовательно, интеграл определяется только начальным и конечным состояниям системы.
- В любом обратимом процессе изменения энтропии равно 0
(1)
- В термодинамике доказывается, что S системы совершающей необратимой цикл возрастает
Δ S > 0 (2)
Выражения (1) и (2) относятся только к замкнутым системам, если же система обменивается теплотой с внешней средой, то её S может вести себя любым образом.
Соотношения (1) и(2) можно представить в виде неравенства Клаузиуса
Δ S ≥ 0
т.е. энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов) либо оставаться постоянной (в случае обратимых процессов).
Если система совершает равновесный переход из состояния 1 в состояния 2, то изменения энтропии
где dU и δA записывается для конкретного процесса. По этой формуле Δ S определяется с точностью до аддитивной постоянной. Физический смысл имеет не сама энтропия, а разность энтропий. Найдем изменение энтропии в процессах идеального газа.
т.е. изменения энтропии S Δ S 1→2 идеального газа при переходе его из состояния 1 в состояния 2 не зависит от вида процесса.
Т.к. для адиабатического процесса δ Q = 0, то Δ S = 0 => S = const , то есть адиабатический обратимый процесс протекает при постоянной энтропии. Поэтому его называют изоэнтропийным.
При изотермическом процессе (T = const ; T 1 = T 2 : )
При изохорном процессе (V = const ; V 1 = V 2 ; )
Энтропия обладает свойством аддитивности: энтропия системы равна сумме энтропий тел входящих в систему. S = S 1 + S 2 + S 3 + ... Качественным отличием теплового движения молекул от других форм движения является его хаотичность, беспорядочность. Поэтому для характеристики теплового движения необходимо ввести количественную меру степени молекулярного беспорядка. Если рассмотреть какое-либо данное макроскопическое состояния тела с определенными средними значениями параметров, то оно есть нечто иное, как непрерывная смена близких микросостояний, отличающихся друг от друга распределением молекул в разных частях объема и распределяемой энергией между молекулами. Число этих непрерывно сменяющих друг друга микросостояний характеризует степень беспорядочности макроскопического состояния всей системы, w называется термодинамической вероятностью данного микросостояния. Термодинамическая вероятность w состояния системы — это число способов, которыми может быть реализовано данное состояния макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное микросостояния (w ≥ 1, а математическая вероятность ≤ 1 ).
За меру неожиданности события условились принимать логарифм его вероятности, взятый со знаком минус: неожиданность состояния равна = -
Согласно Больцману, энтропия S системы и термодинамическая вероятность связаны между собой следующим образом:
где
- постоянная Больцмана (
). Таким образом, энтропия определяется логарифмом числа состояния, с помощью которых может быть реализовано данное микросостояние. Энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния т/д системы. Формула Больцмана позволяет дать энтропии следующее статистическое толкования. Энтропия является мерой неупорядоченности системы. В самом деле, чем больше число микросостояний реализующих данное микросостояние, тем больше энтропия. В состоянии равновесия системы - наиболее вероятного состояния системы - число микросостояний максимально, при этом максимальна и энтропия.
Т.к. реальные процессы необратимы, то можно утверждать, что все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению ее энтропии - принцип возрастания энтропии. При статистическом толковании энтропии это означает, что процессы в замкнутой системе идут в направлении увеличения числа микросостояний, иными словами, от менее вероятных состояний к более вероятным, до тех пор, пока вероятность состояния не станет максимальной.
§7 Второе начало термодинамики
Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения энергии и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания т/д процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих I началу т/д, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются. Возможные формулировки второго начало т/д:
1) закон возрастания энтропии замкнутой системы при необратимых процессах: любой необратимой процесс в замкнутой системе происходит так, что энтропия системы при этом возрастает Δ S ≥ 0 (необратимый процесс) 2) Δ S ≥ 0 (S = 0 при обратимом и Δ S ≥ 0 при необратимом процессе)
В процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает.
2) Из формулы Больцмана S = , следовательно, возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятного состояния в более вероятное.
3) По Кельвину: не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращения теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу.
4) По Клаузиусу: не возможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.
Для описания т/д систем при 0 К используют теорему Нернста-Планка (третье начало т/д): энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к 0 К
Из теоремы Нернста-Планка следует, что C p = C v = 0 при 0 К
§8 Тепловые и холодильные машины.
Цикл Карно и его к.п.д.
Из формулировки второго начала т/д по Кельвину следует, что вечный двигатель второго рода невозможен. (Вечный двигатель - это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет охлаждения одного источника теплоты.)
Термостат
- это т/д система, которая может обмениваться теплотой с телами без изменения температуры.
Принцип действия теплового двигателя: от термостата с температурой Т 1 - нагревателя, за цикл отнимается количество теплоты Q 1 , а термостату с температурой Т 2 (Т 2 < Т 1) -холодильнику, за цикл передается количество теплоты Q 2 , при этом совершается работа А = Q 1 - Q 2
Круговым процессом или циклом
называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное. На диаграмме состояний цикл изображается замкнутой кривой. Цикл, совершаемый идеальным газом, можно разбить на процессы расширения (1-2) и сжатия (2-1), работа расширения положительна А
1-2 > 0, т.к.
V
2
>
V
1
, работа сжатия отрицательна А
1-2 < 0, т.к.
V
2
<
V
1
. Следовательно, работа совершаемая газом за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой 1-2-1. Если за цикл совершается положительная работа (цикл по часовой стрелке), то цикл называется прямым, если - обратный цикл (цикл происходит в направлении против часовой стрелки).
Прямой цикл используется в тепловых двигателях - периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл используется в холодильных машинах - периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.
В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние и, следовательно, полное изменение внутренней энергии равно нулю. Тогда І начало т/д для кругового процесса
Q = Δ U + A = A ,
Т. е. работа, совершаемая за цикл равна количеству полученной извне теплоты, но
Q = Q 1 - Q 2
Q 1 - количество теплоты, полученное системой,
Q 2 - количество теплоты, отданное системой.
Термический к.п.д. для кругового процесса равен отношению работы, совершенной системой, к количеству теплоты, подведенному к системе:
Чтобы η = 1, должно выполняться условие Q 2 = 0, т.е. тепловой двигатель должен иметь один источник теплоты Q 1 , но это противоречит второму началу т/д.
Процесс обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине.
От термостата с температурой Т
2 отнимается количество теплоты
Q
2
и передается термостату с температурой
T
1
, количество теплоты
Q
1
.
Q = Q 2 - Q 1 < 0, следовательно A < 0.
Без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать ее более нагретому.
Основываясь на втором начале т/д, Карно вывел теорему.
Теорема Карно: из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т 1) и холодильников (Т 2), наибольшим к.п.д. обладают обратимые машины. К.П.Д. обратимых машин при равных Т 1 и Т 2 равны и не зависят от природы рабочего тела.
Рабочее тело - тело, совершающее круговой процесс и обменивающиеся энергией с другими телами.
Цикл Карно - обратимый наиболее экономичный цикл, состоящий из 2-х изотерм и 2-х адиабат.
1-2-изотермическое расширения при Т
1 нагревателя; к газу подводится теплота
Q
1
и совершается работа
2-3 - адиабат. расширение, газ совершает работу A 2-3 >0 над внешними телами.
3-4-изотермическое сжатие при Т
2 холодильника; отбирается теплота
Q
2
и совершается работа
;
4-1-адиабатическое сжатие, над газом совершается работа A 4-1 <0 внешними телами.
При изотермическом процессе U = const , поэтому Q 1 = A 12
1
При адиабатическом расширении Q 2-3 = 0, и работа газа A 23 совершается за счет внутренней энергии A 23 = - U
Количество теплоты Q 2 , отданное газом холодильнику при изотермическом сжатии равно работе сжатия А 3-4
2
Работа адиабатического сжатия
Работа, совершаемая в результате кругового процесса
A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41 = Q 1 + A 23 - Q 2 - A 23 = Q 1 - Q 2
и равна площади кривой 1-2-3-4-1.
Термический к.п.д. цикла Карно
Из уравнения адиабаты для процессов 2-3 и 3-4 получим
Тогда
т.е. к.п.д. цикла Карно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для увеличения к.п.д. нужно увеличивать разность Т 1 - Т 2 .
******************************************************* ******************************************************
9.9. Энтропия. Физический смысл энтропии. Энтропия и вероятность.
Рассматривая КПД
тепловой машины, работающей по циклу
Карно,
можно отметить, что отношение температуры
холодильника к температуре нагревателя
равно отношению величин количества
теплоты, отданного рабочим телом
холодильнику, и количества теплоты,
принятой от нагревателя. Это значит,
что для идеальной тепловой машины,
работающей по циклу Карно, выполняется
и такое соотношение:
.
Отношение
Лоренц назвалприведённой
теплотой
.
Для элементарного процесса приведённая
теплота будет равна
.
Значит, при реализации цикла Карно (а
он является обратимым циклическим
процессом) приведённая теплота остаётся
неизменной и ведёт себя как функция
состояния, тогда, как известно, что
количество теплоты является функцией
процесса.
Используя первое
начало термодинамики для обратимых
процессов,
и деля обе части этого равенства на
температуру, получим:
(9-41)
Выразим из уравнения
Менделеева - Клапейрона
, подставим в уравнение (9-41) и получим:
(9-42)
Учтём, что
,
а
,
подставим их в уравнение (9-42) и получим:
(9-43)
Правая часть этого равенства является полным дифференциалом, следовательно, при обратимых процессах и приведённая теплота тоже является полным дифференциалом, что является признаком функции состояния.
Функция состояния,
дифференциалом которой является
,
называетсяэнтропией
и обозначается S
.
Таким образом, энтропия – функция
состояния. После введения энтропии
формула (9-43) будет иметь вид:
,
(9-44)
где dS – приращение энтропии. Равенство (9-44) справедливо только для обратимых процессов и удобно для расчёта изменения энтропии при конечных процессах:
(9-45)
Если
система обратимым путём совершает
круговой процесс (цикл), то
,
а, следовательно,S=0, то S
= const.
Выражая количество теплоты через приращение энтропии для элементарного процесса, и подставляя его в уравнение для первого начала термодинамики, получим новый вид записи этого уравнения, которое принято называть основным термодинамическим тождеством:
(9-46)
Таким образом, для расчёта изменения энтропии при обратимых процессах удобно использовать приведённую теплоту.
В
случае необратимых неравновесных
процессов
,
а для необратимых круговых процессов
выполняетсянеравенство
Клаузиуса
:
(9-47)
Рассмотрим, что происходит с энтропией в изолированной термодинамической системе.
В изолированной термодинамической системе при любом обратимом изменении состояния её энтропия не изменится. Математически это можно записать так: S = const.
Рассмотрим,
что происходит с энтропией термодинамической
системы при необратимом процессе.
Предположим, что переход из состояния
1 в состояние 2 по путиL 1
обратим, а
из состояния 2 в состояние 1 по пути L 2
– необратим (рис.9.13).
Тогда справедливо неравенство Клаузиуса (9-47). Запишем выражение для правой части этого неравенства, соответствующее нашему примеру:
.
Первое слагаемое в этой формуле может быть заменено на изменение энтропии, так как этот процесс обратимый. Тогда неравенство Клаузиуса можно записать в виде:
.
Отсюда
.
Так как
,
то окончательно можно записать:
(9-48)
Если
система изолирована, то
,
а неравенство (9-48) будет иметь вид:
,
(9-49)
т
о
есть энтропия изолированной системы
при необратимом процессе возрастает.
Рост энтропии продолжается не беспредельно,
а до определённого максимального
значения, характерного для данного
состояния системы. Это максимальное
значение энтропии соответствует
состоянию термодинамического равновесия.
Рост энтропии при необратимых процессах
в изолированной системе означает, что
энергия, которой обладает система,
становится менее доступной для
преобразования в механическую работу.
В состоянии равновесия, когда энтропия
достигает максимального значения,
энергия системы не может быть преобразована
в механическую работу.
Если же система не изолирована, то энтропия может как убывать, так и возрастать в зависимости от направления теплообмена.
Энтропия как функция состояния системы, может служить таким же параметром состояния, как температура, давление, объём. Изображая тот или иной процесс на диаграмме (Т,S), можно дать математическую интерпретацию количества теплоты, как площади фигуры под кривой, изображающей процесс. На рис.9.14 приведена диаграмма для изотермического процесса в координатах энтропия – температура.
Энтропия может быть выражена через параметры состояния газа – температуру, давление, объём. Для этого из основного термодинамического тождества (9-46) выразим приращение энтропии:
.
Проинтегрируем это выражение и получим:
(9-50)
Изменение энтропии можно выразить и через другую пару параметров состояния – давление и объём. Для этого нужно выразить температуры начального и конечного состояний из уравнения состояния идеального газа через давление и объём и подставить в (9-50):
(9-51)
При изотермическом расширении газа в пустоту Т 1 =Т 2 , а значит первое слагаемое в формуле (9-47) обнулится и изменение энтропии будет определяться только вторым слагаемым:
(9-52)
Несмотря на то, что во многих случаях для расчёта изменения энтропии удобно использовать приведённую теплоту, ясно, что приведённая теплота и энтропия – разные, не тождественные понятия.
Выясним физический
смысл энтропии
.
Для этого используем формулу (9-52), для
изотермического процесса, при котором
не изменяется внутренняя энергия, а
всевозможные изменения характеристик
обусловлены лишь изменением объёма.
Рассмотрим связь объёма, занимаемого
газом в равновесном состоянии, с числом
пространственных микросостояний частиц
газа. Число микросостояний частиц газа,
с помощью которых реализуется данное
макросостояние газа как термодинамической
системы, можно подсчитать следующим
образом. Разобьём весь объём на
элементарные кубические ячейки со
стороной d~10
–10 м
(порядка величины эффективного диаметра
молекулы). Объём такой ячейки будет
равен d 3
. В первом состоянии газ занимает объём
V 1 ,
следовательно, число элементарных
ячеек, то есть число мест N 1 ,
которые могут занимать молекулы в этом
состоянии будет равно
.
Аналогично для второго состояния с
объёмомV 2
получим
.
Следует отметить, что изменение положений
молекул соответствует новому
микросостоянию. Не всякое изменение
микросостояния приведёт к изменению
макросостояния. Предположим, молекулы
могут заниматьN 1
мест, тогда
обмен местами любых молекул в этих N 1
ячейках не приведёт к новому макросостоянию.
Однако, переход молекул в другие ячейки,
приведёт к изменению макросостояния
системы. Число микросостояний газа,
соответствующих данному макросостоянию,
можно подсчитать, определив число
способов размещения частиц этого газа
по элементарным ячейкам. Для упрощения
расчётов рассмотрим 1 моль идеального
газа. Для 1 моля идеального газа формула
(9-52) будет иметь вид:
(9-53)
Число
микросостояний системы, занимающей
объём V 1 ,
обозначим через Г 1
и определим, подсчитав число размещений
N A
(число Авогадро) молекул, которые
содержатся в 1 моле газа, по N 1
ячейкам (местам):
.
Аналогично подсчитаем число микросостояний
Г 2
системы, занимающей объём V 2:
.
Число микросостояний Г i , с помощью которых можно реализовать i- тое макросостояние, называется термодинамической вероятностью данного макросостояния. Термодинамическая вероятность Г ≥ 1.
Найдём отношение Г 2 /Г 1:
.
Для идеальных газов число свободных мест гораздо больше числа молекул, то есть N 1 >>N A и N 2 >>N A . . Тогда, учитывая выражение чисел N 1 и N 2 через соответствующие объёмы, получим:
Отсюда можно выразить отношение объёмов через отношение термодинамических вероятностей соответствующих состояний:
(9-54)
Подставим
(9-54) в (9-53) и получим:
.
Учитывая, что отношение молярной газовой
постоянной и числа Авогадро, есть
постоянная Больцманаk
,
а также то, что логарифм отношения двух
величин равен разности логарифмов этих
величин, получим:.
Отсюда можно заключить, что энтропияi-
того состояния S i
определяется логарифмом числа
микросостояний, посредством которых
реализуется данное макросостояние:
(9-55)
Формула (9-55) называется формулой Больцмана , впервые получившего её и понявшего статистический смысл энтропии , как функции беспорядка . Формула Больцмана имеет более общее значение, чем формула (9-53), то есть может быть использована не только для идеальных газов, и позволяет раскрыть физический смысл энтропии. Чем более упорядочена система, тем меньше число микросостояний, посредством которых осуществляется данное макросостояние, тем меньше энтропия системы. Рост энтропии в изолированной системе, где происходят необратимые процессы, означает движение системы в направлении наиболее вероятного состояния, которым является состояние равновесия. Можно сказать, что энтропия является мерой беспорядка системы; чем больше беспорядка в ней, тем выше энтропия. В этом заключается физический смысл энтропии .
Понятие энтропии используется в различных науках: физике, химии, математике, биологии, социологии. Само слово произошло от греческого и обозначает «превращение, изменение». Что это такое простыми словами? Можно сказать, что это мера беспорядка, хаотичности в любой системе. Чем меньше порядка, тем больше ее значение. Если книги стоят на полке, неупорядоченность у них меньше, чем если они лежат кучей.
Определение данного термина зависит от сферы его применения. В общих словах можно сказать, что это мера беспорядка и необратимого рассеяния энергии. Чем более упорядочена какая-то система, тем энергия более сконцентрирована. Например, если мы поместим горячий предмет в холодную воду, постепенно он остынет, а вода нагреется. Во втором случае энтропия больше.
Важно! Энтропия характеризует беспорядок. Чем она больше, тем меньше система упорядочена.
В качестве системы может выступать что угодно. В физике или химии это обычно газ, жидкость, твердое тело, набор определенного числа частиц. В информатике это может быть текст, в социологии группа людей.
Термин энтропия
В физике
Этот термин используется в таких разделах физики, как термодинамика и статистическая физика. Термодинамика изучает способы передачи и превращения энергии. Она имеет дело с процессами, в которых можно использовать понятие температуры. Именно в термодинамике впервые начали использовать это понятие. Ввел его немецкий ученый Рудольф Клаузиус. Статистическая механика изучает поведение систем из конечного количества частиц, используя для этого методы теории вероятности.
В разных разделах физики этот термин означает несколько разные вещи. В термодинамике это характеристика необратимого рассеяния энергии. В статистической физике эта величина показывает вероятность какого-то состояния.
В термодинамике
Энтропия - единственная величина, показывающая направление физических процессов. Что это значит?
- В изолированной системе, то есть той, которая не обменивается ни веществом, ни энергией с окружающими предметами, процессы всегда идут так, что неупорядоченность увеличивается. Достигнув максимума, она остается постоянной. В этом суть второго начала термодинамики.
- Обратимые процессы не меняют неупорядоченность.
- Необратимые процессы всегда идут так, что беспорядок увеличивается.
В открытой системе эта величина может возрастать или оставаться постоянной, возможны и такие процессы, при которых беспорядок уменьшается. То есть вмешательством извне мы можем уменьшить неупорядоченность.
Всякая система, находящаяся в неизменных внешних условиях, со временем приходит в состояние равновесия и не может самостоятельно из него выйти. При этом все ее части будут иметь одинаковую температуру. Это нулевое начало термодинамики.
В равновесии беспорядок больше всего. Например, есть сосуд, разделенный перегородкой. С одной стороны находится один газ, с другой - другой. Если убрать перегородку, постепенно газы смешаются и самостоятельно уже не разделятся снова. Такое состояние будет более беспорядочным, чем состояние, когда газы были разделены.
В физике эта величина - функция состояния системы. Это значит, что она зависит от параметров системы:
- температуры;
- давления;
- объема;
- внутренней энергии.
В статистической механике
В статистической механике это понятие связано с вероятностью получить определенное состояние. Например, для нескольких предметов или частиц она зависит от числа способов их расположить.
Есть несколько определений этой величины. Наиболее простое определение Больцамана. Она равна логарифму вероятности состояния, умноженному на постоянную Больцмана: S=k*ln(W).
Полезное видео: что такое энтропия
Абсолютное значение
Энтропия - величина неотрицательная (больше или равна нулю). Чем ближе температура к абсолютному нулю, тем она тоже ближе к нулю. Это третье начало термодинамики. В первоначальном виде его сформулировал Макс Планк в 1911 году.
Также третье начало термодинамики называют принципом недостижимости абсолютного нуля. Это значит, что при любых процессах, связанных с изменением неупорядоченности, невозможно достигнуть абсолютного нуля (0К, или -273,15 С). Можно только бесконечно приближаться к этой температуре. Ученые договорились, что при 0 К неупорядоченность равна 0.
Важно! Абсолютное значение неупорядоченности можно посчитать как изменение энергии при данной температуре.
В термодинамике обычно не имеет значения абсолютная величина, важно только ее изменение. Однако можно найти и абсолютное значение. Оно вычисляется по разным формулам для твердого, жидкого и газообразного состояния вещества. Эта величина измеряется в Дж/К или Дж/градус, то есть в тех же единицах, что и теплоемкость. Удобно поделить эту величину на массу или количество моль вещества. Поэтому используют единицы Дж/(моль*К) или Дж/(моль*градус) в зависимости от того, в чем измеряется температура - в кельвинах или градусах.
В химии
Что такое, к примеру, энтропия в химии? Это понятие применяется в химической термодинамике. Здесь важно изменение этой величины. Если оно положительно, то и система становится менее упорядоченной. Знать это важно для определения направления химических реакций и изменения химического равновесия. Этот термин связан с понятием энтальпии - энергии, которую можно превратить в тепло при определенном постоянном давлении.
По изменению неупорядоченности можно определить, может ли реакция протекать самопроизвольно. Этого нельзя сделать только по изменению энергии, так как существуют и реакции, протекающие с поглощением тепла, и реакции, протекающие с его выделением. Согласно второму началу термодинамики, состояние с наибольшей неупорядоченностью - это наиболее устойчивое состояние замкнутой системы. Также любая замкнутая система стремится к наименее упорядоченному состоянию. Поэтому при самопроизвольных процессах беспорядок возрастает.
В теории информации
Информационная энтропия характеризует непредсказуемость какой-либо системы. Например, это может быть вероятность появления какого-то символа из алфавита в тексте. При этом эта функция равна количеству информации, которое приходится на один символ. Клод Шеннон - ученый, который ввел этот термин в теории информации, - даже сначала хотел называть эту величину информацией.
Шеннон предположил, что, увеличивая количество информации, мы уменьшаем неопределенность. Упорядочивая систему, мы также уменьшаем неопределенность.
Важно! Чем более предсказуемо какое-то событие, тем оно менее информативно, и тем меньше беспорядок.
С помощью этой неопределенности можно предсказывать события, например, исход какого-то эксперимента. Для этого события делят на отдельные части и считают неопределенность для них.
Информационная энтропия связана с числом доступных состояний. Чем это число больше, тем она больше. Например, если мы будем играть в шахматы по правилам, для шахматной доски эта величина будет меньше, чем если переставлять фигуры хаотически. Неопределенность для монетки, которая может упасть только на одну или другую сторону, меньше, чем у игральной кости с 6 гранями, а у кости с 20 гранями эта величина еще больше.
Существует также энтропия языка. Это понятие обозначает количество информации на единицу текста на этом языке (одни символ) и измеряется в битах на букву. Для разных языков она разная.
В языке одни символы появляются чаще, другие реже, также есть определенные часто встречающиеся сочетания символов. Проводя анализ вероятности появления того или иного символа, можно декодировать зашифрованный текст. Информационная неупорядоченность также помогает устанавливать необходимую пропускную способность каналов для передачи зашифрованных сообщений.
Для анализа данных в самых разных сферах, от медицины до социологии, используется информационно-энтропийный анализ. Простыми словами можно сказать, что, анализируя увеличение или уменьшение беспорядка, можно установить связи между явлениями.
Понятие «информационная энтропия» используется также в математической статистике и статистической физике. Эти науки также имеют дело с вероятностью различных состояний и используют методы теории вероятности.
В экономике
В экономике используется понятие «коэффициент энтропии». Он связан с концентрацией продавцов на рынке. Чем больше концентрация, тем меньше этот коэффициент, или индекс. Он зависит от распределения долей между фирмами на рынке, и чем больше разница в величине этих долей, тем больше и коэффициент энтропии.
Если поделить этот индекс на количество фирм на рынке, получится относительный показатель. Он обозначается буквой Е. Его значение находится между 0 и 1. Значение Е=0 соответствует монополии, а Е=1 - совершенной конкуренции.
Что говорит википедия
В википедии можно найти разные определения этого понятия. Самое общее - это мера необратимого рассеяния энергии, отклонения реального процесса от идеального. Также в википедии можно найти:
- статьи об этом термине в классической термодинамике;
- в биологической экологии;
- энтропию Вселенной;
- языка;
- дифференциальную;
- топологическую;
- информационную.
Полезное видео: представление об энтропии
Заключение
Термин «энтропия» впервые был использован в термодинамике Рудольфом Клаузиусом. Из физики он пришел и в другие науки. Это понятие обозначает неупорядоченность, хаотичность, непредсказуемость и тесно связано с вероятностью. Энтропийный анализ помогает изучать данные и находить связи между явлениями, определять направления физических и химических процессов.