 |
Физический смысл энтропии?
|
|
|
|
Энтропия (от греч.— поворот, превращение) — понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Термин широко применяется и в других областях знания: в статистической физике как мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации как мера неопределенности какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса).
Однако я хочу показать, что даже применительно к теплотехнике, «энтропия» не является мерой беспорядка. И вообще это ошибочно считать энтропию мерой беспорядка в любом случае. Так же, как видно из первоисточника, Энтропия не имеет определенного физического смысла, так как, например, другие термины: давление, объем, сила, расстояние, напряжение, заряд, масса, ускорение…), а выражена лишь математически. Далее мы всё-таки попробуем найти физический смысл энтропии. С чего начнем? С нескольких опытов!
Опыты:
Опыт 1.
Если тело термически изолировано от внешней среды и в нём не происходит никаких химических реакций или физических переходов, то энтропия такого тела неизменна. Процессы, происходящие при этом, называются изоэнтропными или адиабатными. Например, если мы имеем теоретически изолированный цилиндр, в котором рабочее тело имеет заданную энтропию, то при его сжимании или растяжении энтропия будет постоянна. Хотя температура, давление и объем рабочего тела будет меняться. А из чего состоит тело? Из частиц. И у каждой частицы есть еще свои составляющие (атомы, ион, электроны). Причем именно число частиц не меняется в этом опыте. Значит энтропия как минимум – это число тепловых частиц материи. Под «тепловой частицей» понимается любая частица, имеющая энергию хаотического теплового движения (поступательного, вращательного, колебательного).
|
|
|
Опыт 2.
Каждое тело обладает некоторой тепловой энергией. Если мы возьмем два одинаковых объема одинаковой жидкости, то при прочих равных условиях они буду иметь одинаковую тепловую энергию. Если температура обоих тел одинакова, то при прочих равных условиях энтропия их тоже одинакова. Если мы смешаем эти два объема, то получим новое тело, причем его тепловая энергия увеличится в два раза. Число тепловых частиц этого тела увеличится в два раза. Однако температура этого тела останется той же. Следовательно, отсюда можно заключить, что энтропия – это мера числа тепловых частиц материи.
Опыт 3.
Если мы нагреем твердое тело от какого-либо источника тепловой энергии, например от зажигалки, то его температура увеличится. При этом его энтропия увеличится. Но объем тела остался прежний. Также, не увеличилось число частиц, из которых состоит тело. Однако увеличилась теплоемкость тела, а она опять же связана с увеличением тепловых частиц в теле. Поясню на примере металла. Мы знаем, что металл состоит из ионов, жестко закрепленных в ионной решетке. Однако металл обладает еще и некоторой макро структурой – множество кристалликов (доменов) соединены вместе в одном теле. Так вот при росте температуры число таких кристалликов увеличивается, а значит, растет и число тепловых частиц. При плавлении металла число тепловых частиц приближается к числу ионов.
Опыт 4.
Нагрев тела и одновременное расширение его так, что тело совершает работу над внешней средой. Тут число тепловых частиц остается постоянным, теплоемкость тоже постоянна. Но энтропия растет! Значит энтропия еще и указывает на меру совершения работы над внешней средой, т.е описывает свойство сжимаемости тела.
|
|
|
Формулы:
Итак, немного определись: энтропия это мера количества тепловых частиц тела и это мера сжимаемости тела. Теперь давайте обратимся к строгим формулам и на основе их уточним физический смысл понятия «энтропия». Формула прироста энтропии dS тела в любом тепловом явлении (процессе) такая:
dS=dQ/T, где dQ – элементарная теплота, сообщенная телу или полученная от тела во время явления, T – средняя температура при этом явлении.
Если мы используем первое начало термодинамики для теплового явления:
dQ=dU+dA, где dU – элементарный прирост внутренней энергии тела, dA – элементарная работа, совершенная телом или совершенная над телом.
То получим:
dS = (dU+dA)/T
В свою очередь известно что:
dU = CV*dT
dA = p*dV, где CV – теплоемкость тела при постоянном объеме, dT – изменение температуры p – давление окружающей среды на тело (или тела на среду) dV – элементарное изменение объема тела.
Зная уравнение состояния идеального газа:
M*R*T = p*V, где M – число молей, R – постоянная Менделеева, получаем:
dS = (dU+dA)/T = CV*dT/T + p*dV/T = M*cV*dT/T + M*R*dV/V = M*(cV*dT/T + R*dV/V), где cV – удельная теплоемкость при постоянном объеме.
Заметим, что число молей тоже может меняться при тепловом явлении, тогда получаем:
dS = M*(cV*dT/T + R*dV/V) + dM*S, где S – энтропия матери при данных p, V и T.
Из этой формулы следует, что:
Приращение энтропии тепловой матери отражает изменение количества (dM) этой материи при постоянных прочих условиях и отражает способности этой материи накапливать тепло (cV*dT/T) и расширяться (R*dV/V) для данного количества (M) материи.
Под тепловой материей понимается набор тепловых частиц тела. Под тепловой частицей понимается любая частица, имеющая тепловое движение. Под тепловым движением понимается любое хаотическое движение:
- поступательное – прямолинейное движение,
- орбитальное – движения по орбитам, сферическим, эллипсным, гантеле-видным и прочим,
- вращательное – вращение вокруг своей оси,
- колебательное – прямолинейное циклическое движение (может быть принято как орбитальное, где орбита это линейный отрезок).
|
|
|
Если же взять абсолютные величины, тогда формула примет вид:
S = (U+A)/T = M*(u+a)/T, где
u – тепловая энергия тепловой материи на единицу количества материи,
a – работа расширения тепловой материи на единицу количества материи.
А физическая суть энтропии будет следующей:
Энтропия отражает количество тепловой материи (M –число молей), накопившей удельную тепловую энергию (u) и совершившей удельную работу расширения (a) относительно температуры (T) этой материи.
Еще можно сказать, что энтропия тела при заданной температуре – это количество материи с некоторой способностью сжиматься. Чем больше энтропия, тем больше мы можем сжать тело, и тем больше тело уже совершило работы.
|
|
|
