Vedomostné texty; Entropia I.

nezávislý redaktor a autor

Znalostné texty

Fyzikálne vedomosti

Entropia I.

Entropia uzavretého systému sa sama o sebe neznižuje.

fyzika.
Wissenstexte.de
optika
mechanika
Elektrické-
magnetizmus
Štruktúra hmoty
zem
termodynamika
- Entropia I.
- Entropia II
- Tlak vodnej pary
- Podchladenie
- P, T, V
- Carnot
- Vedenie tepla
- Parný motor
  & Co.
Toto všetko …

1. a 2. zákon termodynamiky - limity premeny energie

Byť schopný opakovane využívať tú istú energiu - to by bolo fajn. V istom zmysle by ste mohli znovu zhromaždiť vykurovaciu energiu a použiť ju na ďalšie vykurovanie miestnosti. Vieme však, že to nie je možné a že každý rok existuje nový účet za plyn.

Prvý zákon termodynamiky - the Zachovanie energetického zákona - definuje iba „celkovú rovnováhu“, tj. skutočnosť, že celková energia uzavretého systému sa nesmie zvyšovať ani znižovať. Zakazuje, aby sa energia netvorila (alebo nezmizla) v ničom a aby bolo možné pracovať bez použitia energie. Rozhodne proti druhý zákon termodynamiky, do akej miery sa ktoré formy energie môžu navzájom transformovať a ktoré procesy prebiehajú spontánne. Tepelná energia sa nedá úplne premeniť na iné formy energie; zvyškové množstvo tepla sa vždy uvoľní do životného prostredia bez jeho použitia. Teplo dodávané do parného stroja sa nedá úplne premeniť na mechanickú energiu pre pohyb piestu a časť z neho „vyprchá“ nevyužité do okolitého prostredia.

Reverzibilné a nevratné procesy

V prírode sú všetky procesy nezvratné. V myšlienkových experimentoch sa však občas používajú reverzibilné procesy. Jedným z takýchto myšlienkových experimentov je Carnotov cyklus, v ktorom stroj odoberá teplo z vysokoteplotného zásobníka tepla v štyroch reverzibilných krokoch a získava prácu. Nie všetko absorbované teplo sa však dá premeniť na prácu. Časť tepla sa nevyužíva a odovzdáva sa do druhého zásobníka tepla pri nižšej teplote.

Už teraz teda platí pre reverzibilné procesy, že teplo sa nedá úplne premeniť na prácu - aj keď nedochádza k stratám trením!

U strojov, ktoré pracujú nenávratne, je práca získaná z tepla ešte menšia; v dôsledku strát trením alebo žiarením sa stratí ešte viac tepla nevyužitého ako u strojov, ktoré pracujú reverzne.

Presná formulácia druhého zákona termodynamiky je: Nie je možné zostrojiť pravidelne pracujúci stroj, ktorého jediným účinkom je vykonávanie mechanických prác a ochladzovanie tepelného akumulátora. (Pravidelne pracujúcim strojom by napríklad mohol byť cyklus ako Carnotov cyklus.)

Druhú formuláciu druhého zákona už poznáme z každodenného života: Teplo nemôže samo prechádzať z chladnejšieho tela do teplejšieho. Šálka čaju vždy vychladne sama a nikdy nebude absorbovať teplo zo vzduchu a bude sa viac zahrievať. Ak by teplo samo prechádzalo z chladnejšieho do teplejšieho telesa, bolo by možné napríklad využiť tepelnú energiu oceánov a mal by takmer nevyčerpateľný zdroj energie.

Entropia a druhý zákon termodynamiky

Ak do systému pridáte teplo (Q), zvýši sa tým aj jeho entropia (S). Pre reverzibilné procesy platí toto:

dS = dQreversible/T,

to znamená, že zmena entropie dS je úmerná pridanému alebo odstránenému teplu dQ a nepriamo úmerná teplote T, pri ktorej k tomu dôjde. Čím viac tepla sa dodáva, tým viac sa zvyšuje entropia tela. Ak sa na chladné telo aplikuje rovnaké množstvo tepla ako na teplé, entropia v chladnom tele sa zvyšuje viac.
Ak dôjde k treniu v nezvratnom procese, spôsobí to ďalšie zvýšenie entropie. To znamená, že celkový nárast entropie je väčší (alebo v prípade odvádzania tepla je celkový pokles entropie menší) ako v reverzibilnom prípade a rovnica sa stáva:

dS> dQreversible/T.

Uvažujme teraz a tepelne uzavretý systém, nedochádza k výmene tepla s prostredím a dQ je nula. To znamená, že dS = 0 pre reverzibilné procesy a dS> 0 pre ireverzibilné, t. J. Skutočné procesy.

Toto je tretia - a možno najznámejšia - formulácia druhého zákona termodynamiky:

Entropia uzavretého systému sa sama o sebe neznižuje.

To znamená, že entropia nemôže v uzavretých systémoch vôbec klesať - pretože pokles entropie v systéme je možné vynútiť iba vonkajším vplyvom, ktorý je v uzavretých systémoch presne vylúčený.

V reverzibilných procesoch, pri ktorých nevzniká žiadne trecie teplo, zostáva entropia v uzavretých systémoch konštantná. Pretože v skutočnosti neexistujú reverzibilné procesy, je tento prípad dosť teoretický. Pri všetkých skutočných procesoch sa entropia v uzavretých systémoch môže zvyšovať iba sama o sebe.
V uzavretých systémoch môžu prebiehať iba spontánne procesy, to znamená procesy, ktoré bežia samy - vonkajšie vplyvy sú vylúčené. Podľa druhého zákona môžu spontánne prebiehať iba tie procesy, pri ktorých sa zvyšuje entropia; a robí to dovtedy, kým sa nedosiahne rovnováha a proces sa nezastaví. Potom má entropia svoju maximálnu hodnotu. Potom sa už nič nedeje - a ak neexistujú žiadne procesy, nemení sa ani entropia.

Druhý zákon definuje smer, v ktorom procesy prebiehajú spontánne - konkrétne v smere zvyšovania entropie. Zvrat týchto procesov sa nestane sám od seba. Preto môžete zistiť, či film beží dopredu alebo dozadu - takto vytvára entropia časovú os.

Entropia a neporiadok

Trochu laxný spôsob hovorového vyrovnania entropie s poruchou je trochu problematický. Je živo mysliteľné, že plyn, v ktorom častice divoko lietajú okolo seba, je chaotickejší ako kryštál, v ktorom častice pevne sedia vo svojich mriežkových polohách. Ale o tom vlastne v skutočnosti nie je entropia.

1a ¦ Mládežnícky hasičský zbor s nízkou entropiou Titulok Existuje oveľa menej možností na zoradenie členov hasičských jednotiek mládeže okresu Rostock do formácie „JF LRO“ ... Koniec titulku 1b ¦ Mládežnícky hasičský zbor s vysokou entropiou Titulok ... než ich všetkých pokaziť. Preto tento stav má oveľa vyššiu entropiu ako tá na obrázku vyššie (vysvetlenie v nasledujúcom texte).
Fotografie boli urobené počas každoročnej súťaže „Hry bez hraníc“ organizovanej mládežníckymi hasičskými jednotkami v okrese Rostock. (Zdroj: Kreisfeuerwehrverband Landkreis Rostock) Koniec titulkov

Makroskopicky je usporiadanie jednej častice v studenom kryštáli odlišné od mnohých v kvapaline. Ak je teda kopa častíc v stave, je oveľa pravdepodobnejšie, že to bude kvapalina ako kryštál. Ak náhodne a slepo vyberiete jedno z vreca s 1 000 000 červenými a zelenými ponožkami, bude to takmer určite červené.