Entropy

ຖະແຫຼງການສະເພາະຂອງກົດເກນທີສອງຂອງເທີໂມໄດນາມິກບໍ່ສາມາດອະທິບາຍໄດ້ສຳລັບຂະບວນການທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ທັງໝົດ, ສະນັ້ນພວກເຮົາຕ້ອງການຖະແຫຼງການທົ່ວໄປ. ຖະແຫຼງການທົ່ວໄປນີ້ຄາດວ່າຈະອະທິບາຍຂະບວນການທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ທັງໝົດທີ່ເກີດຂຶ້ນໃນຈັກກະວານ. ຖະແຫຼງການທົ່ວໄປຂອງກົດເກນທີສອງຂອງເທີໂມໄດນາມິກໄດ້ຖືກສ້າງຂຶ້ນໃນກາງສະຕະວັດທີສິບເກົ້າ, ຜ່ານປະລິມານທີ່ເອີ້ນວ່າ entropy (S). Entropy ໄດ້ຖືກນຳສະເໜີຄັ້ງທຳອິດໂດຍ Clausius ແລະໄດ້ຖືກສ້າງຂຶ້ນຈາກວົງຈອນ Carnot (ເຄື່ອງຈັກແຄລໍຣີທີ່ສົມບູນແບບ). ອີງຕາມ Clausius, ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ແມ່ນປະສົບກັບລະບົບ, ເມື່ອລະບົບໄດ້ຮັບຄວາມຮ້ອນເພີ່ມເຕີມ (Q) ທີ່ອຸນຫະພູມຄົງທີ່, ເຊິ່ງສະແດງໂດຍສົມຜົນ:

Δ S = ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີ, Q = ຄວາມຮ້ອນ, T = ອຸນຫະພູມ T

ເອນໂທຣປີ ແມ່ນປະລິມານທີ່ລະບຸສະຖານະຈຸລະທັດຂອງລະບົບ ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງບໍ່ສາມາດຮູ້ໄດ້ໂດຍກົງ. ເຊິ່ງສາມາດຄິດໄລ່ໄດ້ພຽງແຕ່ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີເທົ່ານັ້ນ. ຄ້າຍຄືກັບການປ່ຽນແປງພະລັງງານພາຍໃນໃນກົດເກນທຳອິດຂອງເທີໂມໄດນາມິກ.

ຕົວຢ່າງ 1:

ອາຍແກັສໃນພາຊະນະຂະຫຍາຍຕົວແບບອາເດຍບາຕິກ. ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີຂອງອາຍແກັສແມ່ນ…

ວິທີແກ້ໄຂ

ໃນລະຫວ່າງຂະບວນການ adiabatic, ບໍ່ມີຄວາມຮ້ອນເຂົ້າ ຫຼື ອອກຈາກລະບົບ (ອາຍແກັສ). ເນື່ອງຈາກ Q = 0 ແລ້ວ ΔS = 0. ເອນໂທຣປີຂອງລະບົບແມ່ນຄົງທີ່. ຈະເປັນແນວໃດກ່ຽວກັບການບີບອັດ adiabatic? ໃນລະຫວ່າງການບີບອັດ adiabatic, ບໍ່ມີຄວາມຮ້ອນເຂົ້າ ຫຼື ອອກຈາກລະບົບ (Q = 0). ດັ່ງນັ້ນ, ເອນໂທຣປີຂອງລະບົບແມ່ນຄົງທີ່.

ຕົວຢ່າງ 2:

ເຄື່ອງຈັກ Carnot ດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ 2000 J ທີ່ 500 K, ປ່ອຍຄວາມຮ້ອນທີ່ 350 K. ຄິດໄລ່ຄວາມຮ້ອນທີ່ປ່ອຍອອກມາ, ແລະການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ທັງໝົດສຳລັບໜຶ່ງຮອບວຽນ.

ວິທີແກ້ໄຂ

TH = ₅₀₀ K

QH = 2000 _J

TL = ₃₅₀ K

ຄ _ລ = ….. ?

ຖ້າລະບົບໄດ້ຮັບຄວາມຮ້ອນ, Q ເປັນບວກ, ຖ້າລະບົບປ່ອຍຄວາມຮ້ອນ, Q ເປັນລົບ.

ໃນລະຫວ່າງຮອບວຽນໜຶ່ງ, ເຄື່ອງຈັກ Carnot ຜ່ານຂະບວນການ isothermal ສອງຢ່າງທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ (ການຂະຫຍາຍຕົວ isothermal + ການບີບອັດ isothermal) ແລະ ຂະບວນການ adiabatic ສອງຢ່າງທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ (ການຂະຫຍາຍຕົວ adiabatic ແລະ ການບີບອັດ adiabatic). ໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວ ແລະ ການບີບອັດ, ບໍ່ມີຄວາມຮ້ອນເຂົ້າ ຫຼື ອອກຈາກລະບົບ (Q = 0). ເນື່ອງຈາກ Q = 0, entropy ປ່ຽນແປງໃນລະຫວ່າງຂະບວນການ adiabatic = 0.

ໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວຂອງລະບົບຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມ, ເຄື່ອງຈັກຈະດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ (Q) 2000 J ທີ່ອຸນຫະພູມ (T) 500 K. ເນື່ອງຈາກເຄື່ອງຈັກດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ, Q ຈະເປັນບວກ. ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີຂອງເຄື່ອງຈັກໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວຂອງລະບົບຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມແມ່ນ:

ໃນລະຫວ່າງການບີບອັດດ້ວຍຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມ, ເຄື່ອງຈັກຈະປ່ອຍຄວາມຮ້ອນ (Q) ສູງເຖິງ 1400 J ທີ່ອຸນຫະພູມ (T) 350 K. ເນື່ອງຈາກເຄື່ອງຈັກປ່ອຍຄວາມຮ້ອນອອກມາ, Q ຈະເປັນລົບ. ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ຂອງເຄື່ອງຈັກໃນລະຫວ່າງການບີບອັດດ້ວຍຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມແມ່ນ:

ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີທັງໝົດ = 4 J / K – 4 J / K = 0

ຕົວຢ່າງ 3:

ເຄື່ອງຈັກດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ 600 J ທີ່ອຸນຫະພູມ 300 °C, ປ່ອຍຄວາມຮ້ອນອອກທີ່ອຸນຫະພູມ 100 °C. ຄິດໄລ່ຄວາມຮ້ອນທີ່ຖືກປ່ອຍອອກມາ, ແລະການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ທັງໝົດສຳລັບໜຶ່ງຮອບວຽນ

ວິທີແກ້ໄຂ

TH = ₃₀₀ K

QH = 600 _J

ທ _ລ = 100 ກລ

ຄ _ລ = ?

ໃນລະຫວ່າງຮອບວຽນໜຶ່ງ, ເຄື່ອງຈັກ Carnot ຜ່ານຂະບວນການ isothermal ສອງຢ່າງທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ (ການຂະຫຍາຍຕົວ isothermal + ການບີບອັດ isothermal) ແລະ ຂະບວນການ adiabatic ສອງຢ່າງທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ (ການບີບອັດ adiabatic ແລະ ການຂະຫຍາຍຕົວ adiabatic). ໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວ ແລະ ການບີບອັດ adiabatic, ບໍ່ມີຄວາມຮ້ອນເຂົ້າ ຫຼື ອອກຈາກລະບົບ (Q = 0). ເນື່ອງຈາກວ່າ Q = 0 ດັ່ງນັ້ນ entropy ຈຶ່ງມີການປ່ຽນແປງໃນລະຫວ່າງຂະບວນການ adiabatic = 0.

ໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວຂອງ isothermal, ເຄື່ອງຈັກດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ (Q) 600 J ທີ່ອຸນຫະພູມ (T) 300 K. ເນື່ອງຈາກເຄື່ອງຈັກດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ, Q ຈະເປັນບວກ. ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ຂອງເຄື່ອງຈັກໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວຂອງ isothermal ແມ່ນ:

ໃນລະຫວ່າງການບີບອັດດ້ວຍຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມ, ເຄື່ອງຈັກຈະປ່ອຍຄວາມຮ້ອນ (Q) 200 J ທີ່ອຸນຫະພູມ (T) 100 K. ເນື່ອງຈາກເຄື່ອງຈັກປ່ອຍຄວາມຮ້ອນອອກມາ, Q ຈະເປັນລົບ. ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ຂອງເຄື່ອງຈັກໃນລະຫວ່າງການບີບອັດດ້ວຍຄວາມຮ້ອນແບບໄອໂຊເທີມແມ່ນ:

ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີທັງໝົດ = 2 J / K – 2 J / K = 0

ອີງຕາມຕົວຢ່າງທີ 2 ແລະ ຕົວຢ່າງທີ 3, ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີທັງໝົດສຳລັບຂະບວນການທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ = 0. ໃນຂະບວນການທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້, ເອນໂທຣປີທັງໝົດແມ່ນຄົງທີ່ສະເໝີ.

ຕົວຢ່າງ 4:

ນ້ຳກ້ອນ 2 ກິໂລກຣາມ ທີ່ອຸນຫະພູມ 0°C ດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ, ດັ່ງນັ້ນມັນຈຶ່ງລະລາຍ. ຄິດໄລ່ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ຂອງນ້ຳກ້ອນ. (ຄວາມຮ້ອນຂອງການລວມຕົວຂອງນ້ຳ = 3.34 x 105 ^J / Kg)

ວິທີແກ້ໄຂ

ມວນນ້ຳກ້ອນ = 2 ກິໂລກຣາມ

ອຸນຫະພູມນ້ຳກ້ອນ = 0 ^oC + 273 = 273 K

ຄວາມຮ້ອນຂອງການລວມຕົວສຳລັບນ້ຳ = 3.34 x 10 ⁵ J / Kg

ຄວາມຮ້ອນທີ່ຕ້ອງການເພື່ອລະລາຍນ້ຳກ້ອນ 2 ກິໂລກຣາມໃຫ້ເປັນນ້ຳ:

Q = ມລ

Q = (2 ກິໂລກຣາມ) (3.34 x 105 ^J /ກິໂລກຣາມ)

Q = 6.68 x 10 ⁵ J

Q = 668 x 10 ³ J

ໃນລະຫວ່າງຂະບວນການລະລາຍ (ນ້ຳກ້ອນເປັນນ້ຳ), ອຸນຫະພູມຈະຄົງທີ່. ເນື່ອງຈາກອຸນຫະພູມຄົງທີ່, ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີຂອງນ້ຳກ້ອນແມ່ນ:

ຕົວຢ່າງ 5:

ນ້ຳທີ່ອຸນຫະພູມ 26°C ປະສົມກັບນ້ຳທີ່ອຸນຫະພູມ 22°C. ມວນນ້ຳແມ່ນ 2 ກິໂລກຣາມ. ຄິດໄລ່ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີຂອງນ້ຳ. ນ້ຳຮ້ອນ ແລະ ນ້ຳເຢັນປະສົມກັນໃນພາຊະນະທີ່ມີฉนวนກັນຄວາມຮ້ອນດີ. ການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນເປັນຂະບວນການທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້.

ວິທີແກ້ໄຂ

^{ຄວາມຮ້ອນຈຳເພາະ ຂອງນ້ຳ (c) =} 4180 J/Kg ^Co2

ມວນສານນ້ຳ = 2 ກິໂລກຣາມ

ມວນສານຂອງນ້ຳແມ່ນເທົ່າກັນ, ສະນັ້ນອຸນຫະພູມສຸດທ້າຍ = 24 ^o C (26 ^o C + 22 ^o C / 2 = 48 ^o C / 2 = 24 ^o C).

ປະລິມານຄວາມຮ້ອນທີ່ປ່ອຍອອກມາຈາກນ້ຳຮ້ອນເມື່ອອຸນຫະພູມຫຼຸດລົງຈາກ 26°C – 24°C ແມ່ນ:

Q = mc ΔT = (2 ກິໂລກຣາມ) (4180 J / ກິໂລກຣາມ Co₂ ⁾ (26 ^° C – 24 ^° C) = (2 ກິໂລກຣາມ) (4180 J / ກິໂລກຣາມ Co₂ ⁾ (2 ^° C) = 16720 J

ປະລິມານຄວາມຮ້ອນທີ່ຖືກດູດຊຶມໂດຍນ້ຳເຢັນເມື່ອອຸນຫະພູມເພີ່ມຂຶ້ນຈາກ 22 ^oC – 24 ^oC ແມ່ນ:

Q = mc ΔT = (2 ກິໂລກຣາມ) (4180 J / ກິໂລກຣາມ Co₂ ⁾ (24 ^° C – 22 ^° C) = (2 ກິໂລກຣາມ) (4180 J / ກິໂລກຣາມ Co₂ ⁾ (2 ^° C) = 16720 J

ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີທັງໝົດ = ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີຂອງນ້ຳຮ້ອນ + ການປ່ຽນແປງຂອງເອນໂທຣປີຂອງນ້ຳເຢັນ

Δ S = Δ S ນ້ຳຮ້ອນ + Δ S ນ້ຳເຢັນ

Δ S = Q/T + Q/T

ອຸນຫະພູມສະເລ່ຍຂອງນ້ຳຮ້ອນ = (26 ^o C + 24 ^o C) / 2 = 50 ^o C / 2 = 25 ^o C —- 25 + 273 = 298 K

ອຸນຫະພູມສະເລ່ຍຂອງນ້ຳເຢັນ = (22 ^o C + 24 ^o C) / 2 = 46 ^o C / 2 = 23 ^o C —- 23 + 273 = 296 K

ນ້ຳຮ້ອນປ່ອຍຄວາມຮ້ອນອອກມາ, ສະນັ້ນ Q ຈຶ່ງເປັນລົບ. ນ້ຳເຢັນດູດຊຶມຄວາມຮ້ອນ, ສະນັ້ນ Q ຈຶ່ງເປັນບວກ.

Δ S = Δ S ນ້ຳຮ້ອນ + Δ S ນ້ຳເຢັນ

Δ S = -Q/T + Q/T

Δ S = -16720/298 + 16720/296

Δ S = -56.107 + 56.486

Δ S = 0.379 J/K

ເອນໂທຣປີທັງໝົດເພີ່ມຂຶ້ນ 0.379 J/K

ເຖິງແມ່ນວ່າ entropy ບາງສ່ວນຂອງລະບົບຈະຫຼຸດລົງ (-56.107 J/K), entropy ບາງສ່ວນຂອງລະບົບຈະເພີ່ມຂຶ້ນໃນປະລິມານທີ່ຫຼາຍກວ່າ (+ 56.486 J / K) ດັ່ງນັ້ນ entropy ທັງໝົດຈຶ່ງເພີ່ມຂຶ້ນສະເໝີ (+ 0.379 J / K).

ການເພີ່ມຂຶ້ນຂອງ entropy ທັງໝົດໃນຂະບວນການທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ບໍ່ພຽງແຕ່ໃຊ້ໄດ້ກັບການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນລະຫວ່າງສ່ວນປະສົມນ້ຳຮ້ອນ ແລະ ນ້ຳເຢັນທີ່ໄດ້ວິເຄາະຂ້າງເທິງເທົ່ານັ້ນ, ແຕ່ຍັງໃຊ້ໄດ້ກັບທຸກກໍລະນີທີ່ນັກວິທະຍາສາດກວດສອບ. entropy ຄົງທີ່ທັງໝົດຖ້າຂະບວນການເກີດຂຶ້ນແບບປີ້ນກັບກັນ. ຖ້າຂະບວນການເກີດຂຶ້ນແບບປີ້ນກັບກັນ, entropy ທັງໝົດຈະເພີ່ມຂຶ້ນສະເໝີ.

ຂະບວນການທຳມະຊາດທັງໝົດໃນຊີວິດປະຈຳວັນຂອງພວກເຮົາແມ່ນບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ ດັ່ງນັ້ນ entropy ທັງໝົດຈຶ່ງຕ້ອງເພີ່ມຂຶ້ນ. ຄວາມຈິງນີ້ໄດ້ຖືກສະຫຼຸບໄວ້ໃນປະໂຫຍກຕໍ່ໄປນີ້:

ໃນຂະບວນການທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້, ເອນໂທຣປີທັງໝົດຂອງລະບົບ ແລະ ສິ່ງແວດລ້ອມແມ່ນມີການເຕີບໂຕຢູ່ສະເໝີ.

ຖະແຫຼງການນີ້ແມ່ນຖະແຫຼງການທົ່ວໄປຂອງກົດໝາຍສະບັບທີສອງຂອງເທີໂມໄດນາມິກ. ກົດໝາຍສະບັບທີສອງຂອງເທີໂມໄດນາມິກແຕກຕ່າງຈາກກົດໝາຍທາງກາຍະພາບອື່ນໆ. ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວ, ກົດໝາຍຂອງຟີຊິກສ໌ແມ່ນສະແດງອອກກ່ຽວກັບສົມຜົນ (ກົດໝາຍຂອງນິວຕັນ) ຫຼືໃນຮູບແບບຂອງກົດໝາຍຂອງນິລັນດອນ (ກົດໝາຍວ່າການອະນຸລັກພະລັງງານ).