Энтрапія

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
Рудольф Клаўзіус (1822—1888)

Энтрапі́я (ад стар.-грэч.: ἐντροπία [entropía] — «зварот», «пераўтварэнне») — параметр стану рабочага цела ў тэрмадынаміцы, які характаразуе здольнасць сістэмы да выканання работы.

Паняцце энтрапіі ўвёў у 1865 годзе Р. Клаўзіус (1822—1888) для вызначэння меры адрознення рэальнага працэсу ад ідэальнага.

Энтрапія пазначаецца літарай S, у Міжнароднай сістэме адзінак вымярэння СІ мае размернасць Джоўль, падзелены на градус Кельвіна [Дж/К] [1].

Фізічны сэнс[правіць | правіць зыходнік]

Змяненне энтрапіі ў ізаляванай сістэме

Энтрапію нельга змераць, яе фізічны сэнс цяжка прадэманстраваць у наглядных малюнках, але магчыма зразумець па наступных інтэрпрэтацыях:

1) Энтрапія — мера страт цеплавой энергіі з прычыны незваротнасці рэальных працэсаў і рассейвання энергіі ў асяроддзе.

2) Энтрапія — гэта энергія, якая не можа быць выкарыстана для выканання работы.

3) Энтрапія — мера неўпарадкаванасці, хаоса ў сістэме.

Апошняе вызначэнне энтрапіі ў розных дысцыплінах сустракаецца найчасцей. Такім чынам, рост неўпарадкаванасці вядзе да павялічэння энтрапіі, рассейвання энергіі.

Пры падводзе цеплыні павялічваецца хаатычнасць цеплавога руху часціц — энтрапія ўзрастае. І наадварот — ахаладжэнне сістэмы пры сталым аб'ёме ёсць здабыванне з яе цеплыні — ў гэтым выпадку энтрапія падае. Такі стан рэчаў магчымы толькі ў адкрытай (неізаляванай) сістэме (неадасобленай ад наваколля і сумежных сістэм).

У закрытых (ізаляваных) сістэмах энтрапія ніколі не змяншаецца.

Разлікі[правіць | правіць зыходнік]

Энтрапія сістэмы з'яўляецца экстэнсіўнай велічынёй (прапарцыянальна масе і аб'ёму сістэмы) і не залежыць ад спосабу пераходу сістэмы ў канцавы стан з пачатковага. Такім чынам, энтрапія — функцыя стану сістэмы.

Для вывядзення колькасных значэнняў энтрапіі карыстаюцца ўмоўнай кропкай адліку пры T=0 [К], для якой S=0 [Дж/К].

Такі падыход апраўданы толькі для разлікаў, напрыклад, з ідэальным газам[2], у дачыненні да рэальных цел прасцей і зручней карыстацца адносным змяненнем энтрапіі

dS = \frac{\delta Q}{T},

Пры гэтым пры зваротных працэсах змяненне энтрапіі роўнае нулю dS = 0, пры незваротных яно заўсёды дадатнае dS > 0.

Пры разліках звычайна карыстаюцца ўдзельнай энтрапіяй s [ДЖ/(кг∙К)][3], на 1 кг масы цела:

ds = \frac{\delta q}{T},

адкуль

ds = \frac{\delta q}{T} = \frac{\delta u}{T} + \frac{pdv}{T} = \frac{\delta h}{T} - \frac{v\delta p}{T}.

Далейшыя ператварэнні слушныя толькі для разлікаў з ідэальным газам. Памятаючы, што для яго  pv = RT , маем

 \frac{pdv}{T}=R\frac{dv}{v},
 \frac{pdv}{T}=R\frac{dp}{p},

а таксама

 du=c_{v}dT,
 dh=c_{p}dT.

Тады ўраўненне энтрапіі для ідэальнага газу будзе мець канчатковы выгляд:

 ds=\frac{dq}{T}=c_{v}\frac{dT}{T}+R\frac{dv}{v}=c_{p}\frac{dT}{T}-R\frac{dp}{p}.

Выкарыстаныя велічыні:

Прынцып узрастання энтрапіі[правіць | правіць зыходнік]

Плаўленне лёду — класічны прыклад узрастання энтрапіі

Разгледзім ізаляваную сістэму, якая ўяўляе сабой два целы з рознымі тэмпературамі.

  • Агульная энтрапія ізаляванай сістэмы двух цел непазбежна ўзрастае. Калі тэмпературы даволі блізкія або, калі целы добра ізаляваныя адно ад аднаго — мы будзем назіраць якое заўгодна малое змяненне энтрапіі. Тым не менш яно будзе прысутнічаць, пакуль сістэма не прыйдзе да стану раўнавагі.
  • Калі ў гэтай жа сістэме адсутнічае цеплаабмен паміж целамі[4], такое здараецца калі цеплаабмен ужо завершаны ці целы пачаткова былі з аднолькавымі тэмпературамі, то кажуць, што сістэма прыйшла да цеплавой раўнавагі (стану з максімумам энтрапіі). Энтрапія ўраўнаважанай закрытай сістэмы болей не павялічваецца.

Такім чынам, энтрапія ў закрытых (ізаляваных) сістэмах можа не змяняцца, але ніколі не будзе змяншацца без знешняга ўздзеяння, што аўтаматычна зробіць сістэму адкрытай (неізаляванай).

Прыведзеныя вышэй прыклады ілюструюць дзеянне другога закона тэрмадынамікі, які сцвярджае незваротнасць цеплаперадачы: цеплыня, перададзеная ад цёплага цела да халоднага, не можа зноў быць вернута цёпламу целу ад халоднага.

Такім чынам, прынцып росту энтрапіі заснаваны на другім законе тэрмадынамікі.

Энтрапія як прычына цеплавой смерці Сусвету[правіць | правіць зыходнік]

Выснову аб цеплавой смерці Сувету выказаў у 1852 годзе У. Томсан (лорд Кельвін) (1824—1907). Тэарэтычна абгрунтаваў гэту тэорыю ў 1865 годзе Р. Клаўзіус на аснове другога закону тэрмадынамікі.

Тэорыя вынікае з таго, што любая фізічная сістэма, якая не абменьваецца энергіяй з іншымі сістэмамі, гэта значыць закрытая сістэма (для Сусвету ў цэлым знешні абмен, відавочна, увогуле не магчымы), імкнецца да найбольш імавернага раўнаважнага стану — стану з максімумам энтрапіі. Гэта значыць, што ўсе віды энергіі пяройдуць у энергію цеплавога руху, якая будзе раўнамерна размеркавана па ўсім Сусвеце, пасля гэтага абсалютна ўсе тэрмадынамічные працэсы павінны закончыцца. Такі стан адпавядаў бы цеплавой смерці Сусвету.

Энтрапія ў розных дысцыплінах[правіць | правіць зыходнік]

Паняцце «энтрапія» мае шырокі ўжытак для тлумачэння працэсаў і з'яў у шматлікіх навуках — ад філасофіі да экономікі, звыйчайна выкарыстоўваецца як мера неўпарадкаванасці і незваротнасці.

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі

  1. Амаль заўжды, з-за вялікіх значэнняў велічыні энтрапіі, карыстаюцца размернасцю кДж/К, менавіта ў такой размернасці энтрапію належыць падстаўляць у формулы.
  2. Паветра, па сваіх уласцівасцях, блізкае да ідэальнага газу, формулы для разлікаў з ідэальным газам справядлівы і для паветра.
  3. На практыцы, пры разліках, кДж/(кг∙К)
  4. Цеплаабмен паміж целамі таксама будзе адсутнічаць у ідэальным адыябатным працэсе, які, аднак, практычна дасягнуць немагчыма.

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

  • Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики — Москва: Кнорус, 2012.,352 с.
  • Хрусталев Б. М., Несенчук А. П., Романюк В. Н. Техническая термодинамика — Минск: Технопринт, 2004., ч.1, 487 с.

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]