Что такое энтропия?

Физика > Что такое энтропия?

 

Читайте определение и значение энтропии в термодинамике: изменение энтропии в обратимом процессе, формулировка и формулы, цикл Карно, уравнения, обратимость.

Энтропия – мера беспорядка системы и недоступности энергии для осуществления работы.

Задача обучения

• Определить изменение энтропии в системе с обратимым процессом.

Основные пункты

• Соотношение Q/T – изменение энтропии ΔS для обратимого процесса: ΔS = (Q/T)rev.
• Изменение энтропии (ΔS) между двумя состояниями остается таким же.
• Полное изменение энтропии для системы с обратимым процессом приравнивается к нулю.

Термины

• Обратимость – способность вернуться в начальное состояние без применения свободной энергии и увеличения энтропии.
• Цикл Карно – теоретический процесс в термодинамике.

Определение энтропии

Само определение энтропии можно вывести из механизма Карно. Для цикла и любых обратимых процессов: Q_c/Q_h = T_c/T_h. Из перестановки терминов получаем Q_c/T_c = Q_h/T_h (Q_c и Q_h – абсолютные значения теплоотдачи при температурах T_c и T_h). Отношение Q/T – изменение энтропии ΔS для обратимого процесса:

ΔS = (Q/T)rev,

(Q – теплопередача, выступающая положительной для переноса тепла и отрицательной для теплопередачи, а T – абсолютная температура для обратимого процесса).

Единица энтропии – Дж/К. Если во время процесса в температуре происходят изменения, то Т – средняя температура и не нуждается в применении ΔS.

Использование ΔS оправдывается только в обратимых процессах, например, в двигателе Карно. Но для реальных механизмов ΔS можно опустить. Дело в том, что энтропия зависит исключительно от состояния системы. Она останется одинаковой и не зависит от того, как именно произошло изменение. Нам всего лишь необходимо отыскать обратимый процесс и вычислить ΔS.

Когда система меняет состояние, энтропия меняется на ту же величину ΔS, независимо от того, был ли это обратимый или необратимый процесс

Пример

Давайте взглянем на изменения в двигателе Карно и его тепловых резервуарах в полноценном цикле. Горячий резервуар теряет энтропию: ΔS_h = -Q_h/T_h. У холодного коэффициент – ΔS_c = Q_c/T_c. Выходит, что полное изменение энтропии:

Здесь используются исключительно обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплообмен Q_h поступает в рабочее вещество в период изотермического пути АВ при стабильной температуре T_h. Теплопередача осуществляется во время изотермического пути CD при температурной отметке T_c. Тогда W равно площади внутри пути – ABCDA. Также отображена схема двигателя Карно, функционирующего между горячими и прохладными резервуарами при показателях T_h и T_c

ΔS_tot = ΔS_h + ΔS_c.

Мы знаем, что Q_h/T_h = Q_c/T_c для двигателя Карно, поэтому:

ΔS_tot = -Q_h/T_h + Q_c/T_c = 0.

Это значит, что полное изменение энтропии в любом обратимом процессе приравнивается к нулевому показателю.

---