Kas ir entropija termodinamikā — definīcija, mērvienības, piemēri
Uzzini, kas ir entropija termodinamikā — skaidra definīcija, mērvienības (J/K) un ilustrējoši piemēri (tēja, atvērtas/slēgtas sistēmas) ikdienas saprašanai.
Termodinamiskā entropija ir mērvienība, kas raksturo, cik daudz enerģijas sistēmā nav pieejama lietderīgam darbam tādā formā, kādā tā pašlaik atrodas, un vienlaikus sniedz informāciju par to, cik organizēta vai neorganizēta ir enerģija atomu un molekulu sistēmā. Entropiju parasti mēra džoulos uz kelvina vienību (J/K). Entropija ir centrāla termodinamikā: tā ir saistīta gan ar otrā likuma formulējumu (par spontānām, neparedzamām izmaiņām un entropijas pieaugumu izolētā sistēmā), gan ar trešā likuma noteikumu par entropijas uzvedību pie absolūtā nulles.
Statistiskā interpretācija
Statistiski entropiju var izskaidrot kā mikrostate skaitu, kas atbilst dotajam makrostatam. To formulē ar Bolcmaņa formulu S = k ln W, kur k ir Bolcmaņa konstante (k ≈ 1.380649·10⁻²³ J/K), bet W ir iespējamo mikrostavu skaits. Jo vairāk dažādu mikrostavu (tas ir — jo vairāk veidu, kā enerģija var būt sadalīta sistēmā), jo lielāka entropija.
Entropijas izmaiņas un mērvienības
Praktiski entropijas izmaiņu ΔS nosaka ar integrāli ΔS = ∫(dQ_rev / T), kur dQ_rev ir apmaiņa siltumā reversīvā procesā un T — temperatūra Kelvinos. Vienības ir J/K. Bieži lieto arī molāro entropiju ar vienībām J/(mol·K). Absolūtā entropija (piem., trešā likuma kontekstā) ir īpaši svarīga, aprēķinot ķīmiskas reakcijas entropijas izmaiņas un brīvās enerģijas maiņu.
Reversīvi un ne-reversīvi procesi; otrs termodinamikas likums
Otrajā termodinamikas likumā teikts, ka entropija izolētā sistēmā laika gaitā nemazinās; tā vai nu paliek nemainīga (reversīvā procesā) vai pieaug (ne-reversīvā procesā). Tas nozīmē, ka spontānas siltuma plūsmas un maisīšanās procesi parasti palielina kopējo entropiju, un līdzsvara stāvoklī (kad entropija ir maksimāla dotajām ierobežotajām enerģijām un apstākļiem) sistēmā vairs nav iespējas iegūt lietderīgu darbu.
Praktiski piemēri un skaidrojumi
Iedomājieties molekulu grupu ar desmit enerģijas vienībām. Ja šī enerģija ir ļoti organizēta (piem., koncentrēta dažās molekulās), no tās var iegūt vairāk lietderīga darba nekā tad, ja enerģija ir vienmērīgi izkliedēta. Ja entropija palielinās (enerģija kļūst mazāk organizēta), pieejamais lietderīgais darbs samazinās, pat ja kopējā enerģija nemainās.
Vienkāršs ikdienišķs piemērs ir tasīte karstas tējas un telpa, kurā tā atrodas. Tējai ir augstāka temperatūra nekā telpai, tāpēc siltums pāriet no tējas uz telpu — tas ir spontāns process, kas palielina kopējo entropiju. Ja sistēmu uzskatām par izolētu (nepieļaujot enerģijas papildināšanu), process turpinās līdz termiskajam līdzsvaram, kad vairs nevar iegūt lietderīgu darbu no temperatūras starpības. Ja telpu padara par atvērtu vai pieved papildus enerģiju (piem., ievietojot sildītāju), var samazināt lokālo entropiju (tēju uzsildīt), taču kopējā entropija Visumā ne samazinās — papildus enerģija un emisijas parasti palielina entropiju citur.
Sistēmu tipi: atvērtā, slēgtā, izolētā
- Atvērta sistēma — var mainīties gan masa, gan enerģija (piemēram, Zeme saņem enerģiju no Saules, kā minēts rakstā; Zeme ir daļēji atvērta attiecībā uz enerģiju).
- Slēgta sistēma — maiņa ar apkārtni notiek tikai enerģijai (piem., siltumplūsma), bet ne masai.
- Izolēta sistēma — nav enerģijas vai masas apmaiņas; izolētās sistēmās kopējā entropija laika gaitā nevar samazināties.
Entropija un ķīmiskā/enerģētiskā darbība
Entropijas izmaiņas ir svarīgas, aprēķinot reakciju vai procesu spontaneitāti. Brīvā enerģija — Helmholca F = U − TS vai Gibbsa G = H − TS — sasaista entalpiju (vai iekšējo enerģiju) un entropiju: pie noteiktiem spiediena un temperatūras nosacījumiem process ir spontāns, ja ΔG < 0. Tātad entropija tieši ietekmē, vai enerģija var paveikt darbu konkrētā procesā.
Vēl daži piemēri un piezīmes
- Ledus kušana: pat ja tiek pieņemts siltums no apkārtējās vides, entropija kopumā palielinās, jo ūdens molekulu kārtība samazinās, un daļa enerģijas kļūst mazāk pieejama lietderīgam darbam.
- Maisīšanās: divu gāzu atsevišķa sajaukšanās pie izolētiem apstākļiem palielinās entropiju (vairāk mikrostavu).
- Lokāla sakārtošana (piem., dzīvības formu uzturēšana) prasa enerģijas pieplūdi: lokāla entropijas samazināšana ir iespējama, bet tā parasti tiek kompensēta ar lielāku entropijas pieaugumu apkārtējo procesu dēļ.
Rezumējot: entropija ir mērs tam, cik daudz enerģijas sistēmā ir "izkliedēta" un cik maz no tās var izmantot lietderīgam darbam. Tā ir gan statistiska kategorija (mikrostavu skaits), gan termodinamiska lieluma izteiksme (siltuma apmaiņa pret temperatūru), un tā ir būtiska, lai saprastu procesus dabā un inženierzinātnēs.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir termodinamiskā entropija?
A: Termodinamiskā entropija ir mērvienība, kas parāda, cik organizēta vai neorganizēta ir enerģija atomu vai molekulu sistēmā. To mēra enerģijas džoulos uz kelvina vienību.
J: Ko nosaka trešais termodinamikas likums?
A: Trešais termodinamikas likums nosaka, ka tad, kad kopējā entropija ir sasniegta, vairs nav iespējams tērēt enerģiju.
J: Kādi ir divi tekstā minētie "telpu" veidi?
A.: Tekstā ir minēti divi "telpu" veidi: atvērta sistēma un slēgta sistēma. Atvērta sistēma nozīmē, ka enerģija (piemēram, siltums) var brīvi ieplūst un izplūst, savukārt slēgta sistēma nozīmē, ka tā ir noslēgta no ārpuses; enerģija nevar ieplūst vai izplūst.
J: Kā jaunā enerģija ietekmē kopējo entropiju?
A: Jauna enerģija samazina kopējo entropiju, jo tā ļauj sistēmai vairāk organizēties. Piemēram, ja mēs ievietojam sildītāju telpā, kurā ir auksta tēja, mēs varam izmantot no tā iegūto siltumu, lai uzsildītu tējas tasi. Tādējādi telpā nonāk jauna enerģija, kas samazina tās kopējo entropiju.
J: Vai varat minēt atvērtas sistēmas piemēru?
Atbilde: Reāls atvērtas sistēmas piemērs ir Zeme, jo tā katru dienu no Saules saņem daudz enerģijas, kas ļauj augiem augt un ūdenim palikt šķidram.
J: Kā tas, ka tiek sasniegta kopējā entropija, ietekmē karstas tējas tasi?
Atbilde: Kad karstas tējas tasītei ir sasniegta kopējā entropija, vairs nebūs siltuma, ko izplatīt, tāpēc tā kļūs auksta, jo viss tās siltums pārvietosies uz apkārtējo vidi.
Meklēt