Entropy

የሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ ልዩ መግለጫ ለሁሉም የማይቀለበስ ሂደቶች ሊገለጽ አይችልም፣ ስለዚህ አጠቃላይ መግለጫ ያስፈልገናል። ይህ አጠቃላይ መግለጫ በአጽናፈ ዓለም ውስጥ የሚከሰቱትን የማይቀለበስ ሂደቶችን ሁሉ እንደሚያብራራ ይጠበቃል። የሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ አጠቃላይ መግለጫ የተቀረፀው በአስራ ዘጠነኛው ክፍለ ዘመን አጋማሽ ላይ፣ ኢንትሮፒ (S) በሚባል መጠን ነው። ኢንትሮፒ ለመጀመሪያ ጊዜ የተዋወቀው በክላውሲየስ ሲሆን ከካርኖት ዑደት (ፍጹም የካሎሪ ሞተር) ነው። እንደ ክላውሲየስ ገለጻ፣ የኢንትሮፒ ለውጦች የሚከሰቱት ስርዓቱ በቋሚ የሙቀት መጠን ተጨማሪ ሙቀት (Q) ሲያገኝ ሲሆን ይህም በእኩልታው ይወከላል፡

Δ S = የኢንትሮፒ ለውጦች፣ Q = ሙቀት፣ T = T የሙቀት መጠን

ኢንትሮፒ የስርዓቱን ጥቃቅን ሁኔታ የሚገልጽ ብዛት ሲሆን ይህም በቀጥታ ሊታወቅ አይችልም። ይህም የኢንትሮፒ ለውጦችን ብቻ ሊሰላ ይችላል። ልክ በመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ ውስጥ እንደ ውስጣዊ የኃይል ለውጥ ነው።

ምሳሌ 1:

በኮንቴይነር ውስጥ ያለው ጋዝ በአዳያባቲክ መልኩ ይስፋፋል። የጋዝ ኢንትሮፒ ለውጥ…

መፍትሔዎች

በአዲባቲክ ሂደት ወቅት፣ ምንም አይነት ሙቀት ወደ ስርዓቱ (ጋዝ) አይገባም ወይም አይወጣም። Q = 0 ስለሆነ ΔS = 0። የስርዓቱ ኢንትሮፒ ቋሚ ነው። ስለ አዲባቲክ ኮምፕሬሽንስስ? በአዲባቲክ ኮምፕሬሽን ወቅት፣ ምንም አይነት ሙቀት ወደ ስርዓቱ አይገባም ወይም አይወጣም (Q = 0)። ስለዚህ የስርዓቱ ኢንትሮፒ ቋሚ ነው።

ምሳሌ 2:

የካርኖት ሞተር የ2000 J ሙቀትን በ500 K ይምጣል፣ በ350 K ሙቀት ይለቃል። የሚለቀቀውን ሙቀት እና በአንድ ዑደት ውስጥ ያለውን አጠቃላይ ኢንትሮፒ ለውጥ ያሰሉ።

መፍትሔዎች

ቲኤች = 500 ኪ_.

Q _H = 2000 J

ቲኤል ₌ 350 ኪ.ሜ

Q _L = …..?

ስርዓቱ ሙቀትን ከተቀበለ፣ Q አዎንታዊ ነው፣ ስርዓቱ ሙቀትን ከለቀቀ፣ Q አሉታዊ ነው።

በአንድ ዑደት ወቅት፣ የካርኖት ሞተር ሁለት የሚቀለበስ የኢሶተርማል ሂደቶችን (ኢሶተርማል መስፋፋት + ኢሶተርማል መጨናነቅ) እና ሁለት የሚቀለበስ የአዲያባቲክ ሂደቶችን (አዲያባቲክ መስፋፋት እና አዲያባቲክ መጨናነቅ) ያካሂዳል። በማስፋፊያ እና በመጭመቂያ ጊዜ፣ ምንም ሙቀት ወደ ስርዓቱ አይገባም ወይም አይወጣም (Q = 0)። ከQ = 0 ጀምሮ፣ በአዲያባቲክ ሂደት ወቅት ኢንትሮፒ ይለወጣል = 0።

በኢሶተርማል መስፋፋት ወቅት፣ ሞተሩ የ2000 J ሙቀትን (Q) በ500 K የሙቀት መጠን (T) ይቀበላል። ሞተሩ ሙቀትን ስለሚስብ፣ Q አዎንታዊ ነው። በኢሶተርማል መስፋፋት ወቅት የማሽን ኢንትሮፒ ለውጥ የሚከተለው ነው፡

በኢሶተርማል መጭመቂያ ወቅት፣ ሞተሩ እስከ 1400 J ድረስ ሙቀትን (Q) በ (T) 350 K የሙቀት መጠን ይለቃል። ሞተሩ ሙቀትን ስለሚለቅ፣ Q አሉታዊ ነው። በኢሶተርማል ፕሬሶች ወቅት የማሽን ኢንትሮፒ ለውጥ የሚከተለው ነው፡

ጠቅላላ የኢንትሮፒ ለውጥ = 4 J / K – 4 J / K = 0

ምሳሌ 3:

ሞተሩ በ300 ዲግሪ ሴልሺየስ የሙቀት መጠን 600 ጄ ሙቀት ይቀበላል፣ በ100 ዲግሪ ሴልሺየስ የሙቀት መጠን ሙቀትን ይለቃል። የሚለቀቀውን ሙቀት ያሰላል፣ እና በአንድ ዑደት ውስጥ አጠቃላይ ኢንትሮፒ ይለወጣል።

መፍትሔዎች

ቲኤች = 300 _ኪ.ሜ

Q _H = 600 J

ቲኤል = 100 ኪ_.

ኪው _ኤል = ?

በአንድ ዑደት ወቅት፣ የካርኖት ሞተር ሁለት የሚቀለበስ የኢሶተርማል ሂደቶችን (ኢሶተርማል መስፋፋት + ኢሶተርማል መጨናነቅ) እና ሁለት የሚቀለበስ የአዲያባቲክ ሂደቶችን (አዲያባቲክ መጨናነቅ እና አዲያባቲክ መስፋፋት) ያካሂዳል። በአዲያባቲክ መስፋፋት እና መጭመቂያ ወቅት፣ ምንም ሙቀት ወደ ስርዓቱ አይገባም ወይም አይወጣም (Q = 0)። ምክንያቱም Q = 0 ከዚያ በአዲያባቲክ ሂደት ወቅት ኢንትሮፒው ይለወጣል = 0።

በኢሶተርማል መስፋፋት ወቅት፣ ሞተሩ በ (T) 300 K የሙቀት መጠን የ600 J ሙቀትን (Q) ይቀበላል። ሞተሩ ሙቀትን ስለሚስብ፣ Q አዎንታዊ ነው። በኢሶተርማል መስፋፋት ወቅት የማሽን ኢንትሮፒ ለውጥ የሚከተለው ነው፡

በኢሶተርማል መጭመቂያ ወቅት፣ ሞተሩ በ100 ኪ.ሜ የሙቀት መጠን (T) 200 J ሙቀትን (Q) ይለቃል። ሞተሩ ሙቀትን ስለሚለቅ፣ Q አሉታዊ ነው። በኢሶተርማል መጭመቂያ ወቅት የማሽን ኢንትሮፒ ለውጥ የሚከተለው ነው፡

ጠቅላላ የኢንትሮፒ ለውጥ = 2 J / K – 2 J / K = 0

በምሳሌ ቁጥር 2 እና ምሳሌ ቁጥር 3 ላይ በመመስረት፣ የተገላቢጦሽ ሂደቱ አጠቃላይ የኢንትሮፒ ለውጥ = 0። በተገላቢጦሽ ሂደት ውስጥ፣ ጠቅላላ ኢንትሮፒ ሁልጊዜ ቋሚ ነው።

ምሳሌ 4፡

በረዶ በ0°ሴ 2 ኪ.ግ ሙቀትን ስለሚስብ ይቀልጣል። የበረዶ ኢንትሮፒ ለውጥን አስሉ። (ለውሃ የመዋሃድ ሙቀት = 3.34 x 10 ⁵ J / ኪ.ግ)

መፍትሔዎች

የበረዶ ክብደት = 2 ኪ.ግ.

የበረዶ ሙቀት = 0 ^o C + 273 = 273 K

የውሃ ውህደት ሙቀት = 3.34 x 10 · ⁵ J / ኪ.ግ

2 ኪሎ ግራም በረዶን ወደ ውሃ ለማቅለጥ የሚያስፈልገው ሙቀት፡

Q = mL

Q = (2 ኪ.ግ)(3.34 x 10 ⁵ J/Kg)

Q = 6.68 x 10 ⁵ J

Q = 668 x 10 ³ J

በማቅለጥ ሂደት (ከበረዶ ወደ ውሃ) ወቅት፣ የሙቀት መጠኑ ቋሚ ነው። የሙቀት መጠኑ ቋሚ ስለሆነ፣ የበረዶ ኢንትሮፒ ለውጥ የሚከተለው ነው፡

ምሳሌ 5:

በ26°ሴ ያለው ውሃ ከውሃ ጋር በ22°ሴ ይቀላቀላል። የውሃው ክብደት 2 ኪ.ግ ነው። የውሃ ኢንትሮፒ ለውጥን አስሉ። ሙቅ ውሃ እና ቀዝቃዛ ውሃ በደንብ በተዘጋ መያዣ ውስጥ ይቀላቀላሉ። የሙቀት ማስተላለፍ የማይቀለበስ ሂደት ነው።

መፍትሔዎች

^{የተወሰነ የውሃ ሙቀት (c) =} 4180 J/Kg C ^o

የውሃ ክብደት = 2 ኪ.ግ.

የውሃው ክብደት ተመሳሳይ ነው፣ ስለዚህ የመጨረሻው የሙቀት መጠን = 24 ^o C (26 ^o C + 22 ^o C / 2 = 48 ^o C / 2 = 24 ^o C)።

የሙቀት መጠኑ ከ26°ሴ - 24°ሴ ሲቀንስ በሞቀ ውሃ የሚለቀቀው የሙቀት መጠን፡

Q = mc ΔT = (2 ኪ.ግ) (4180 J / kg C ^o ) (26 ^o C – 24 ^o C) = (2 ኪ.ግ) (4180 J / kg C ^o ) (2 ^o C) = 16720 J

^{የሙቀት መጠኑ ከ22 oC} - 24 ^oC ሲጨምር በቀዝቃዛ ውሃ የሚወሰደው የሙቀት መጠን

Q = mc ΔT = (2 ኪ.ግ) (4180 J / kg C ^o ) (24 ^o C – 22 ^o C) = (2 ኪ.ግ) (4180 J / kg C ^o ) (2 ^o C) = 16720 J

ጠቅላላ የኢንትሮፒ ለውጥ = የሙቅ ውሃ የኢንትሮፒ ለውጥ + የቀዝቃዛ ውሃ የኢንትሮፒ ለውጥ

Δ S = Δ S ሙቅ ውሃ + Δ S ቀዝቃዛ ውሃ

Δ S = Q/T + Q/T

የሞቀ ውሃ አማካይ የሙቀት መጠን = (26 ^oC + 24 ^oC ) / 2 = 50 ^oC / 2 = 25 ^oC —- 25 + 273 = 298 K

የቀዝቃዛ ውሃ አማካይ የሙቀት መጠን = (22 ^o C + 24 ^o C) / 2 = 46 ^o C / 2 = 23 ^o C —- 23 + 273 = 296 K

ሙቅ ውሃ ሙቀትን ይለቃል፣ ስለዚህ Q አሉታዊ ነው። ቀዝቃዛ ውሃ ሙቀትን ስለሚስብ Q አዎንታዊ ነው።

Δ S = Δ S ሙቅ ውሃ + Δ S ቀዝቃዛ ውሃ

Δ S = -Q/T + Q/T

Δ S = -16720/298 + 16720/296

Δ S = -56.107 + 56.486

Δ S = 0.379 J/K

ጠቅላላ ኢንትሮፒ በ0.379 J/K ጨምሯል

የስርዓቱ ከፊል ኢንትሮፒ ቢቀንስም (-56.107 J/K)፣ የስርዓቱ ከፊል ኢንትሮፒ በከፍተኛ መጠን ይጨምራል (+ 56.486 J/K) ስለዚህ አጠቃላይ ኢንትሮፒ ሁልጊዜ ይጨምራል (+ 0.379 J/K)።

በማይቀለበስ ሂደት ውስጥ ያለው አጠቃላይ ኢንትሮፒ መጨመር ከላይ በተተነተኑት ሙቅ እና ቀዝቃዛ የውሃ ድብልቆች መካከል ባለው የሙቀት ሽግግር ላይ ብቻ ሳይሆን በሳይንስ ሊቃውንት በተመረመሩ ሁሉም ጉዳዮች ላይም ይሠራል። ሂደቱ በሚቀለበስ ሁኔታ ከተከሰተ ሙሉ በሙሉ ቋሚ ኢንትሮፒ። ሂደቱ በማይቀለበስ ሁኔታ ከተከሰተ፣ ጠቅላላ ኢንትሮፒ ሁልጊዜ ይጨምራል።

በዕለት ተዕለት ሕይወታችን ውስጥ ያሉ ሁሉም ተፈጥሯዊ ሂደቶች የማይቀለበሱ በመሆናቸው አጠቃላይ ኢንትሮፒ መጨመር አለበት። ይህ እውነታ በሚከተለው ዓረፍተ ነገር ተጠቃሏል፡

በማይቀለበስ ሂደት ውስጥ፣ የስርዓቱ እና የአካባቢው አጠቃላይ ኢንትሮፒ ሁልጊዜ እያደገ ነው።

ይህ መግለጫ የሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ አጠቃላይ መግለጫ ነው። ሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ ከሌሎች አካላዊ ሕጎች የተለየ ነው። ብዙውን ጊዜ የፊዚክስ ሕጎች የሚገለጹት ስለ እኩልታዎች (የኒውተን ሕግ) ወይም ስለ ዘላለማዊ ሕግ (የኃይል ጥበቃ ሕግ) መልክ ነው።