Termodinamikanın ikinci qanununun konkret ifadəsi bütün dönməz prosesləri təsvir edə bilməz, ona görə də ümumi bir ifadəyə ehtiyacımız var. Bu ümumi ifadənin kainatda baş verən bütün dönməz prosesləri izah etməsi gözlənilir. Termodinamikanın ikinci qanununun ümumi ifadəsi XIX əsrin ortalarında entropiya (S) adlanan bir kəmiyyət vasitəsilə ifadə edilmişdir. Entropiya ilk dəfə Klauzius tərəfindən təqdim edilmiş və Karno dövründən (mükəmməl kalori mühərriki) ifadə edilmişdir. Klauziusa görə, entropiya dəyişiklikləri sistem tərəfindən sabit temperaturda əlavə istilik (Q) aldıqda baş verir və bu tənliklə ifadə olunur:
Δ S = Entropiya dəyişiklikləri, Q = İstilik, T = T temperatur
Entropiya, sistemin mikroskopik vəziyyətini birbaşa bilinməməsi üçün ifadə edən bir kəmiyyətdir. Bunu yalnız entropiya dəyişiklikləri hesablaya bilər. Termodinamikanın birinci qanunundakı daxili enerji dəyişikliyinə bənzəyir.
Misal 1:
Qabdakı qaz adiabatik şəkildə genişlənir. Qaz entropiyasındakı dəyişiklik...
Həllər
Adiabatik proses zamanı sistemə (qaza) istilik daxil olmur və ya çıxmır. Q = 0 olduğundan, ΔS = 0 olur. Sistemin entropiyası sabitdir. Bəs adiabatik sıxılma necədir? Adiabatik sıxılma zamanı sistemə istilik daxil olmur və ya çıxmır (Q = 0). Buna görə də, sistemin entropiyası sabitdir.
Misal 2:
Carnot mühərriki 500 K-də 2000 J istiliyi udur, 350 K-də istiliyi buraxır. Bir dövr üçün ayrılan istiliyi və ümumi entropiyanın dəyişməsini hesablayın.
Həllər
T H = 500 K
Q H = 2000 J
T L = 350 K
Q L = ….. ?
Sistem istilik alırsa, Q müsbət, sistem istilik buraxırsa, Q mənfi olur.
Bir dövr ərzində Karno mühərriki iki geri dönən izotermik prosesdən (izotermik genişlənmə + izotermik sıxılma) və iki geri dönən adiabatik prosesdən (adiabatik genişlənmə və adiabatik sıxılma) keçir. Genişlənmə və sıxılma zamanı sistemə istilik daxil olmur və ya çıxmır (Q = 0). Q = 0 olduğundan, adiabatik proses zamanı entropiya dəyişir = 0.
İzotermik genişlənmə zamanı mühərrik 500 K temperaturda (T) 2000 J istiliyi (Q) udur. Mühərrik istiliyi udursa, Q müsbətdir. İzotermik genişlənmə zamanı maşın entropiyasının dəyişməsi belədir:
İzotermik sıxılma zamanı mühərrik (T) 350 K temperaturda 1400 J-ə qədər istilik (Q) buraxır. Mühərrik istilik buraxdığı üçün Q mənfi olur. İzotermik preslər zamanı maşın entropiyasının dəyişməsi belədir:
Ümumi entropiya dəyişikliyi = 4 J / K – 4 J / K = 0
Misal 3:
Mühərrik 300 °C temperaturda 600 J istilik udur, 100 °C temperaturda istiliyi buraxır. Bir dövr üçün ayrılan istiliyi və ümumi entropiyadakı dəyişiklikləri hesablayır.
Həllər
T H = 300 K
Q H = 600 J
T L = 100 K
Q L = ?
Bir dövr ərzində Karno mühərriki iki geri dönən izotermik prosesdən (izotermik genişlənmə + izotermik sıxılma) və iki geri dönən adiabatik prosesdən (adiabatik sıxılma və adiabatik genişlənmə) keçir. Adiabatik genişlənmə və sıxılma zamanı sistemə istilik daxil olmur və ya çıxmır (Q = 0). Q = 0 olduğundan, adiabatik proses zamanı entropiya dəyişir = 0.
İzotermik genişlənmə zamanı mühərrik (T) 300 K temperaturda 600 J istiliyi (Q) udur. Mühərrik istiliyi udursa, Q müsbətdir. İzotermik genişlənmə zamanı maşın entropiyasının dəyişməsi belədir:
İzotermik sıxılma zamanı mühərrik 100 K temperaturda (T) 200 J istilik (Q) buraxır. Mühərrik istilik buraxdığı üçün Q mənfi olur. İzotermik sıxılma zamanı maşın entropiyasının dəyişməsi belədir:
Ümumi entropiya dəyişikliyi = 2 J / K – 2 J / K = 0
2 və 3 nömrəli nümunələrə əsasən, geri dönən proses üçün ümumi entropiyanın dəyişməsi = 0-dır. Geri dönən prosesdə ümumi entropiya həmişə sabitdir.
Nümunə 4:
0 °C-də 2 kq ağırlığında buz istiliyi udur və buna görə də əriyir. Buz entropiyasındakı dəyişikliyi hesablayın. (Suyun ərimə istiliyi = 3.34 x 105 J / Kq)
Həllər
Buz kütləsi = 2 kq
Buz temperaturu = 0 o C + 273 = 273 K
Suyun ərimə istiliyi = 3.34 x 105 J / Kq
2 kq buzu suya çevirmək üçün lazım olan istilik miqdarı:
Q = mL
Q = (2 kq)(3.34 x 10 5 J/Kq)
Q = 6.68 x 10 5 J
Q = 668 x 10 3 J
Ərimə prosesi zamanı (buzun suya çevrilməsi) temperatur sabitdir. Temperatur sabit olduğundan, buz entropiyasının dəyişməsi belədir:
Misal 5:
26 °C-də su 22 °C-də su ilə qarışdırılır. Su kütləsi 2 kq-dır. Su entropiyasındakı dəyişikliyi hesablayın. İsti və soyuq su yaxşı izolyasiya edilmiş, qapalı bir qabda qarışdırılır. İstilik ötürülməsi dönməz bir prosesdir.
Həllər
Suyun xüsusi istilik sifəti (c) = 4180 J/Kg C o
Su kütləsi = 2 kq
Su kütləsi eynidir, buna görə də son temperatur = 24 o C (26 o C + 22 o C / 2 = 48 o C / 2 = 24 o C).
İsti suyun temperaturu 26°C - 24°C-dən aşağı düşdükdə buraxdığı istilik miqdarı:
Q = mc ΔT = (2 kq) (4180 J / kq C₂ ) (26 o C – 24 o C) = (2 Kq) (4180 J / kq C₂ ) (2 o C) = 16720 J
Temperatur 22 ° C-dən 24 ° C -yə yüksəldikdə soyuq suyun udulan istilik miqdarı :
Q = mc ΔT = (2 kq) (4180 J / kq C₂ ) (24 o C – 22 o C) = (2 kq) (4180 J / kq C₂ ) (2 o C) = 16720 J
Ümumi entropiya dəyişikliyi = isti suyun entropiya dəyişikliyi + soyuq suyun entropiya dəyişikliyi
Δ S = Δ S isti su + Δ S soyuq su
Δ S = Q/T + Q/T
İsti suyun orta temperaturu = (26 o C + 24 o C) / 2 = 50 o C / 2 = 25 o C —- 25 + 273 = 298 K
Soyuq suyun orta temperaturu = (22 o C + 24 o C) / 2 = 46 o C / 2 = 23 o C —- 23 + 273 = 296 K
İsti su istilik yayır, buna görə də Q mənfidir. Soyuq su istiliyi udur, ona görə də Q müsbətdir.
Δ S = Δ S isti su + Δ S soyuq su
Δ S = -Q/T + Q/T
Δ S = -16720/298 + 16720/296
Δ S = -56.107 + 56.486
Δ S = 0.379 J/K
Ümumi entropiya 0.379 J/K artdı
Sistemin qismən entropiyası azalsa da (-56.107 J/K), sistemin qismən entropiyası daha böyük miqdarda (+ 56.486 J/K) artır, beləliklə, ümumi entropiya həmişə artır (+ 0.379 J/K).
Dönməz prosesdə ümumi entropiyanın artması yalnız yuxarıda təhlil edilən isti və soyuq su qarışıqları arasında istilik ötürülməsinə aid deyil, həm də elm adamları tərəfindən araşdırılan bütün hallara aiddir. Proses geri dönməz şəkildə baş verərsə, ümumi sabit entropiya. Əgər proses geri dönməz şəkildə baş verərsə, ümumi entropiya həmişə artır.
Gündəlik həyatımızdakı bütün təbii proseslər dönməzdir, ona görə də ümumi entropiya artmalıdır. Bu fakt aşağıdakı cümlədə ümumiləşdirilir:
Geri dönməz bir prosesdə sistemin və ətraf mühitin ümumi entropiyası daim artır.
Bu ifadə termodinamikanın ikinci qanununun ümumi ifadəsidir. Termodinamikanın ikinci qanunu digər fiziki qanunlardan fərqlidir. Adətən, fizika qanunları tənliklərlə (Nyuton qanunu) və ya əbədiyyət qanunu (enerjinin qorunması qanunu) şəklində ifadə olunur.
