Ентропия
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Най-общо казано ентропията е мярка за безпорядъка (хаоса) в една термодинамична система. Думата има гръцки призход: εν (en - вътре) + τρέπω (trepo - преследвам, бягам, въртя) и означава величина, характеризираща състоянието на една термодинамична система, или изразяването на броя на възможните конфигурации или подреждания на градивните частици на системата. Ентропията е критерий за това, колко близко до термодинамично равновесие е дадена система. Тя е по-голяма, когато хаосът, а следователно и неговата вероятност, са по-големи.
Съдържание |
[редактиране] Различия с други величини
Вътрешната енергия на системата е свързана с механичната енергия на градивните частици, докато ентропията отчита качественото различие между насочено и хаотично движение на същите частици. Работата и количеството топлина характеризират процесите, които протичат в системата, а ентропията - състоянието. Тя се различава и от температурата: при изотермен процес, температурата остава постоянна, но ентропията на системата нараства. По отношение на различните агрегатни състояния, газовете имат най-голяма ентропия.
[редактиране] Основна закономерност
Ако в изолирана макроскопична система протича термодинамичен процес, процесът е такъв, че ентропията на системата нараства. Ако ентропията нараства, процесът е необратим. Всички процеси в природата се подчиняват на този принцип.
[редактиране] История
Понятието "ентропия" е въведено за първи път през 1865 г. от Рудолф Клаузиус (1822-1888), немски физик, считан за един от създателите на термодинамиката и кинетичната теория на газовете. Той дава и формулировката на втория принцип на термодинамиката, наречен на негово име.
[редактиране] Теория
[редактиране] Класическа термодинамика
Той определя изменението на ентропията на термодинамична система при обратими процеси като отношение на изменението на общото количество топлина ΔQ към абсолютната температура Т.
където:
S [J/K] - ентропия
Q [J] - количество топлина
T [K] - температура
Клаузиус дава на величината S името ентропия. Уравнението по-горе се отнася за изменението на ентропията.
Тази формула е приложима само за изотермичен /протичащ при постоянна температура/ процес. Обобщението й за произволен квазистатичен процес изглежда така:
,
където dS - диференциал на ентропията, а δQ - безкрайно малкото нарастване на количеството топлина.
Разглежданото термодинамично определение е приложимо само към квазистатични процеси /състоящи се от непрекъснато следващи едно след друго състояния на равновесие/.
Ентропията се явява функция на състоянието, затова в лявата част на равенството стои нейния пълен диференциал. Обратното, количеството топлина се явява функция на процеса, в който топлината е била предадена, затова δQ в никой случай не трябва да се приема за пълен диференциал.
Третия принцип на термодинамиката позволява ентропията да бъде определена точно: ентропията на равновесна система при температура равна на абсолютната нула е равна на нула.
[редактиране] Статистическа термодинамика
През 1877 г. Лудвиг Болцман разбрал, че ентропията на една система може да се отнася към количеството възможни "микросъстояния", сгласувайки се с техните термодинамични свойства. Да разгледаме състоянието на идеален газ в съд. Микросъстоянието е определено като позиция и импулс /момент на движение/ на всеки от съставящите системата атоми. Свързаността предявява към това изискване разглеждането само на тези микросъстояния, за които: І. местоположението на всички частици е разположено в рамките на съда; ІІ. за получаването на общата енергия на газа кинетичните енергии на атомите се сумират. Болцман постулирал че
където константата к=1,38.10-23 J/К сега се нарича константа на Болцман, а Ω е броят на микросъстоянията, които са възможни в заеманото макроскопично състояние. Този постулат, известен като принцип на Болцман, може да бъде оценен като начало на статистическата механика, която описва термодинамичните системи, използвайки статистическото поведение на съставящите ги компоненти. Принципът на Болцман свързва микроскопичните свойства на системата (Ω) с едно от нейните термодинамични свойства (S).