Ентропия

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Серия статии на тема

Статистическа физика

Gasfas.png
Термодинамична система с ниска ентропия
Термодинамична система с висока ентропия

Ентропия е понятие от философията и физиката. Във философията на науката то е дял от онтологията, а във физиката е мярка за безпорядъка (хаоса) в една термодинамична система. Думата има гръцки произход: εν (en - вътре) + τρέπω (trepo - преследвам, бягам, въртя) и е величина, характеризираща състоянието на една термодинамична система, т.е. изразяването на броя на възможните конфигурации или подреждания на градивните частици на системата. Ентропията е критерий за това колко близко до термодинамично равновесие е дадена система. Тя е по-голяма, когато хаосът, а следователно и неговата вероятност, са по-големи.

Различия с други величини[редактиране | edit source]

Вътрешната енергия на системата е свързана с механичната енергия на градивните частици, докато ентропията отчита качественото различие между насочено и хаотично движение на същите частици. Работата и количеството топлина характеризират процесите, които протичат в системата, а ентропията - състоянието. Тя се различава и от температурата: при изотермен процес, температурата остава постоянна, но ентропията на системата нараства. По отношение на различните агрегатни състояния, газовете имат най-голяма ентропия.

Основна закономерност[редактиране | edit source]

Ако в изолирана макроскопична система протича термодинамичен процес, процесът е такъв, че ентропията на системата нараства. Ако ентропията нараства, процесът е необратим. Всички процеси в природата се подчиняват на този принцип.

История[редактиране | edit source]

Понятието "ентропия" е въведено за първи път през 1865 г. от Рудолф Клаузиус (1822-1888), немски физик, считан за един от създателите на термодинамиката и кинетичната теория на газовете. Той дава и формулировката на втория принцип на термодинамиката, наречен на негово име.

Теория[редактиране | edit source]

Класическа термодинамика[редактиране | edit source]

Изменението на ентропията ΔS на термодинамична система при обратими процеси е отношението на изменението на общото количество топлина ΔQ към абсолютната температура Т.

\Delta S = \frac{\Delta Q}{T}

Ентропията се измерва в J/K, а специфичната ентропия в J/kg.K. Клаузиус дава на величината S името ентропия.

Тази формула е приложима само за изотермни (при постоянна температура) процеси. Обобщението ѝ за произволен квазистатичен процес (състоящ се от непрекъснато следващи едно след друго състояния на равновесие) изглежда така:

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

където dS е диференциалът на ентропията, а δQ - безкрайно малкото нарастване на количеството топлина. Ентропията се явява функция на състоянието, затова в лявата част на равенството стои нейния пълен диференциал. Обратното, количеството топлина се явява функция на процеса, в който топлината е била предадена, затова δQ в никой случай не трябва да се приема за пълен диференциал.

Третия принцип на термодинамиката позволява ентропията да бъде определена точно: ентропията на равновесна система при температура равна на абсолютната нула е равна на нула.

Статистическа термодинамика[редактиране | edit source]

През 1877 г. Лудвиг Болцман открива, че ентропията на една система може да се изрази с количеството възможни "микросъстояния", съгласувани с техните термодинамични свойства. В случая на идеален газ в контейнер микросъстоянието е определено с позицията и импулса (момент на движение) на всеки от съставящите системата атоми. Разглеждат се само тези микросъстояния, за които: I. местоположението на всички частици е в рамките на съда; II. за получаването на общата енергия на газа кинетичните енергии на атомите се сумират.

Болцман постулира, че:

S = k (\ln \Omega) \,\!

където константата к=1,38.10-23 J/К се нарича константа на Болцман, а Ω е броят на микросъстоянията, които са възможни в заеманото макроскопично състояние. Този постулат, известен като принцип на Болцман, може да бъде оценен като начало на статистическата термодинамика, която описва термодинамичните системи чрез поведението на съставящите ги компоненти. Принципът на Болцман свързва микроскопичните свойства на системата (Ω) с едно от нейните макроскопични термодинамични свойства (S).

Съгласно определението на Болцман, ентропията е просто функция на състоянието. Тъй като Ω може да бъде само естествено число (1,2,3,…), то ентропията според формулата на Болцман трябва да е положителна величина.

Външни препратки[редактиране | edit source]