Texte de cunoaștere; Entropia I

editor și autor independent

Textele de cunoaștere

Cunoașterea fizicii

Entropia I

Entropia unui sistem închis nu scade de la sine.

fizică.
Wissenstexte.de
optică
mecanica
Electric-
magnetism
Structura materiei
Pământ
termodinamica
- Entropia I
- Entropia II
- Presiunea de vapori
- Hipotermie
- P, T, V
- Carnot
- Conducerea căldurii
- Motor cu aburi
  & Co.
Toate acestea …

Prima și a doua lege a termodinamicii - limite de conversie a energiei

A putea folosi aceeași energie din nou și din nou - ar fi frumos. Într-un anumit sens, ați putea colecta din nou energia de încălzire și o puteți folosi pentru a încălzi din nou camera. Dar știm că acest lucru nu este posibil și că există o nouă factură a gazelor în fiecare an.

Prima lege a termodinamicii - Legea privind conservarea energiei - definește doar „echilibrul global”, adică faptul că energia totală a unui sistem închis nu trebuie să crească sau să scadă. Interzice crearea (sau dispariția) energiei în nimic și că se poate lucra fără a folosi energie. Cu siguranță împotriva ei a doua lege a termodinamicii, în ce măsură ce forme de energie se pot transforma una în cealaltă și care procese au loc spontan. Energia termică nu poate fi convertită complet în alte forme de energie; o cantitate reziduală de căldură este întotdeauna eliberată în mediu fără a fi utilizată. Căldura care este furnizată unui motor cu aburi nu poate fi transformată complet în energie mecanică pentru mișcarea pistonului, iar o parte din aceasta „scade” nefolosită în mediu.

Procese reversibile și ireversibile

În natură, toate procesele sunt ireversibile. Cu toate acestea, procesele reversibile sunt folosite ocazional în experimentele de gândire. Un astfel de experiment de gândire este ciclul Carnot, în care o mașină preia căldură dintr-un depozit de căldură la temperaturi ridicate în patru pași reversibili și câștigă muncă. Cu toate acestea, nu toată căldura absorbită poate fi transformată în lucru. O parte din căldură este neutilizată și transferată într-o a doua unitate de stocare a căldurii cu o temperatură mai scăzută.

Deci, este deja adevărat pentru procesele reversibile că căldura nu poate fi transformată complet în lucru - chiar dacă nu există pierderi de frecare!

La mașinile care funcționează ireversibil, munca obținută din căldură este chiar mai mică; mai multă căldură se pierde neutilizată din cauza fricțiunii sau a pierderilor de radiații decât la mașinile care funcționează reversibil.

Formularea exactă a celei de-a doua legi a termodinamicii este: Nu este posibilă construirea unei mașini care funcționează periodic, al cărei singur efect este să efectueze lucrări mecanice și să răcească un acumulator de căldură. (O mașină care funcționează periodic ar fi un ciclu precum ciclul lui Carnot, de exemplu.)

Știm deja o a doua formulare a celei de-a doua legi din viața de zi cu zi: Căldura nu poate trece de la un corp mai rece la unul mai cald de la sine. O ceașcă de ceai se va răci întotdeauna singură și nu va absorbi niciodată căldura din aer și nu se va încălzi. Dacă căldura ar trece de la sine de la un corp mai rece la unul mai cald, s-ar putea, de exemplu, folosi energia termică a oceanelor și ar avea o sursă cvasi inepuizabilă de energie.

Entropia și a doua lege a termodinamicii

Dacă adăugați căldură (Q) la un sistem, aceasta crește și entropia acestuia (S). Următoarele se aplică proceselor reversibile:

dS = dQreversible/T,

adică schimbarea entropiei dS este proporțională cu căldura dQ adăugată sau eliminată și invers proporțională cu temperatura T la care apare aceasta. Cu cât este furnizată mai multă căldură, cu atât crește entropia corpului. Dacă se aplică aceeași cantitate de căldură unui corp rece ca și unul cald, entropia din corpul rece crește mai mult.
Dacă căldura prin frecare apare într-un proces ireversibil, aceasta determină o creștere suplimentară a entropiei. Aceasta înseamnă că creșterea totală a entropiei este mai mare (sau, în cazul disipării căldurii, scăderea totală a entropiei este mai mică) decât în cazul reversibil și ecuația devine:

dS> dQreversible/T.

Să analizăm acum un sistem închis termic, nu există schimb de căldură cu mediul și dQ este zero. Aceasta înseamnă că dS = 0 pentru procesele reversibile și dS> 0 pentru procesele ireversibile, adică reale.

Aceasta este a treia - și poate cea mai cunoscută - formulare a celei de-a doua legi a termodinamicii:

Entropia unui sistem închis nu scade de la sine.

Acest lucru înseamnă că entropia nu poate scădea deloc în sistemele închise - deoarece o scădere a entropiei într-un sistem poate fi pusă în aplicare doar de o influență externă, și aceasta este exclusă exclusiv în sistemele închise.

În procesele reversibile, în care nu se generează căldură prin frecare, entropia rămâne constantă în sistemele închise. Cu toate acestea, deoarece nu există procese reversibile în realitate, acest caz este destul de teoretic. Cu toate procesele reale, entropia în sistemele închise nu poate crește decât de la sine.
În sistemele închise, doar procesele spontane, adică procesele care rulează pe cont propriu, pot avea loc - influențele externe sunt excluse. Conform celei de-a doua legi, numai acele procese pot avea loc spontan în care entropia crește; și o face până când se ajunge la echilibru și procesul se oprește. Atunci entropia are valoarea sa maximă. Atunci nu se mai întâmplă nimic - și dacă nu există procese, nici entropia nu se schimbă.

A doua lege definește direcția în care procesele se desfășoară spontan - și anume în direcția creșterii entropiei. Inversarea acestor procese nu se întâmplă de la sine. Acesta este motivul pentru care puteți spune dacă un film rulează înainte sau înapoi - acesta este modul în care entropia creează o axă a timpului.

Entropie și tulburare

Modul oarecum lax de echivalare colocvială a entropiei cu tulburarea este oarecum problematic. Se poate concepe în mod clar că un gaz în care particulele zboară sălbatic unul în jurul celuilalt este mai dezordonat decât un cristal în care particulele stau ferm în pozițiile lor de rețea. Dar nu despre asta este vorba cu adevărat despre entropie.

Fig. 1a ¦ Corpul de pompieri pentru tineret cu entropie scăzută Subtitrare Există mult mai puține oportunități de a alinia membrii pompierilor de tineret din districtul Rostock în formațiunea „JF LRO” ... Sfârșitul subtitrării Fig. 1b brig Corpul de pompieri pentru tineret cu entropie ridicată Legenda ... decât să-i încurci pe toți. Prin urmare, această stare are o entropie mult mai mare decât cea din imaginea de mai sus (explicație în textul următor).
Fotografiile au fost realizate în cadrul concursului anual „Jocuri fără granițe” organizat de pompierii de tineret din districtul Rostock. (Sursa: Kreisfeuerwehrverband Landkreis Rostock) Sfârșitul subtitrării

Macroscopic, dispunerea unei particule în cristalul rece se află opus celor multe, multe din lichid. Deci, dacă o grămadă de particule se află într-o stare, este mult mai probabil să fie un lichid decât un cristal. Dacă alegeți aleatoriu și orbește unul dintr-un sac cu 1.000.000 roșu și un șoset verde, aproape sigur va fi unul roșu.