Термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн тодорхой мэдэгдэл нь эргэлт буцалтгүй бүх үйл явцыг тодорхойлж чадахгүй тул бидэнд ерөнхий мэдэгдэл хэрэгтэй. Энэхүү ерөнхий мэдэгдэл нь орчлон ертөнцөд болж буй бүх эргэлт буцалтгүй үйл явцыг тайлбарлах ёстой гэж үзэж байна. Термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн ерөнхий мэдэгдлийг 19-р зууны дунд үед энтропи (S) гэж нэрлэгддэг хэмжигдэхүүнээр томъёолсон. Энтропийг анх Клаузиус нэвтрүүлсэн бөгөөд Карно циклээс (төгс илчлэгийн хөдөлгүүр) томъёолсон. Клаузиусын хэлснээр, систем тогтмол температурт нэмэлт дулаан (Q) авах үед энтропийн өөрчлөлтийг мэдэрдэг бөгөөд үүнийг дараах тэгшитгэлээр илэрхийлнэ:
Δ S = Энтропийн өөрчлөлт, Q = Дулаан, T = T температур
Энтропи гэдэг нь системийн микроскопийн төлөв байдлыг шууд мэдэх боломжгүйгээр илэрхийлдэг хэмжигдэхүүн юм. Үүнийг зөвхөн энтропийн өөрчлөлтөөр тооцоолж болно. Энэ нь термодинамикийн нэгдүгээр хуулийн дотоод энергийн өөрчлөлттэй адил юм.
Жишээ 1:
Саванд байгаа хий адиабатаар тэлдэг. Хийн энтропийн өөрчлөлт нь...
шийдэл
Адиабат процессын үед системд (хий) дулаан орохгүй эсвэл гарахгүй. Q = 0 тул ΔS = 0 байна. Системийн энтропи тогтмол байна. Адиабат шахалтын талаар юу хэлэх вэ? Адиабат шахалтын үед системд дулаан орохгүй эсвэл гарахгүй (Q = 0). Тиймээс системийн энтропи тогтмол байна.
Жишээ 2:
Карно хөдөлгүүр нь 500 К температурт 2000 Ж-ийн дулааныг шингээж, 350 К температурт дулаан ялгаруулдаг. Нэг мөчлөгийн хувьд ялгарсан дулаан болон нийт энтропийн өөрчлөлтийг тооцоол.
шийдэл
Т H = 500 K
Q H = 2000 Ж
T L = 350 K
Q L = ….. ?
Хэрэв систем дулаан хүлээн авбал Q эерэг, хэрэв систем дулаан ялгаруулбал Q сөрөг байна.
Нэг мөчлөгийн үед Карно хөдөлгүүр нь хоёр эргэлттэй изотермийн процесс (изотермийн тэлэлт + изотермийн шахалт) болон хоёр эргэлттэй адиабат процесс (адиабат тэлэлт ба адиабат шахалт)-д ордог. Тэлэлт ба шахалтын үед системд дулаан орохгүй эсвэл гарахгүй (Q = 0). Q = 0 тул адиабат процессын үед энтропи өөрчлөгддөг = 0.
Изотермаль тэлэлтийн үед хөдөлгүүр нь 500 К температурт (T) 2000 Ж дулааныг (Q) шингээдэг. Хөдөлгүүр дулааныг шингээдэг тул Q эерэг утгатай байна. Изотермаль тэлэлтийн үед машины энтропийн өөрчлөлт нь:
Изотермаль шахалтын үед хөдөлгүүр нь (T) 350 К температурт 1400 Ж хүртэл дулаан (Q) ялгаруулдаг. Учир нь хөдөлгүүр нь дулаан ялгаруулдаг тул Q сөрөг утгатай байна. Изотермаль шахалтын үед машины энтропийн өөрчлөлт нь:
Нийт энтропийн өөрчлөлт = 4 Ж / К – 4 Ж / К = 0
Жишээ 3:
Хөдөлгүүр нь 300 °C температурт 600 Ж дулааныг шингээж, 100 °C температурт дулааныг ялгаруулдаг. Нэг мөчлөгийн хугацаанд ялгарч буй дулаан болон нийт энтропийн өөрчлөлтийг тооцоолно.
шийдэл
T H = 300 K
Q H = 600 Ж
T L = 100 K
Q L = ?
Нэг мөчлөгийн үед Карно хөдөлгүүр нь хоёр эргэлттэй изотермийн процесс (изотермийн тэлэлт + изотермийн шахалт) болон хоёр эргэлттэй адиабат процесс (адиабат шахалт ба адиабат тэлэлт)-д ордог. Адиабат тэлэлт ба шахалтын үед системд дулаан орж гарахгүй (Q = 0). Учир нь Q = 0 бол адиабат процессын үед энтропи өөрчлөгдөнө = 0.
Изотермаль тэлэлтийн үед хөдөлгүүр нь (T) 300 К температурт 600 Ж дулааныг (Q) шингээдэг. Хөдөлгүүр дулааныг шингээдэг тул Q эерэг утгатай байна. Изотермаль тэлэлтийн үед машины энтропийн өөрчлөлт нь:
Изотермаль шахалтын үед хөдөлгүүр нь (T) 100 К температурт 200 Ж дулаан ялгаруулдаг (Q). Учир нь хөдөлгүүр нь дулаан ялгаруулдаг тул Q сөрөг утгатай байна. Изотермаль шахалтын үед машины энтропийн өөрчлөлт нь:
Нийт энтропийн өөрчлөлт = 2 Ж / К – 2 Ж / К = 0
2 ба 3-р жишээнд үндэслэн буцаах процессын нийт энтропийн өөрчлөлт = 0 байна. Буцаах процесст нийт энтропийн өөрчлөлт үргэлж тогтмол байна.
Жишээ 4:
0 °C-д 2 кг жинтэй мөс дулааныг шингээдэг тул хайлдаг. Мөсний энтропийн өөрчлөлтийг тооцоол. (Усны хайлалтын дулаан = 3.34 x 10 5 Ж / кг)
шийдэл
Мөсний масс = 2 кг
Мөсний температур = 0 o C + 273 = 273 K
Усны хайлалтын дулаан = 3.34 x 10 5 Ж / кг
2 кг мөсийг ус болгон хайлуулахад шаардагдах дулаан:
Q = мл
Q = (2 кг)(3.34 x 10 5 Ж/кг)
Q = 6.68 x 10 5 Ж
Q = 668 x 10 3 Ж
Хайлах процессын үед (мөсөөс ус руу) температур тогтмол байна. Температур тогтмол тул мөсний энтропийн өөрчлөлт нь:
Жишээ 5:
26°C температурт усыг 22°C температурт устай холино. Усны масс нь 2 кг. Усны энтропийн өөрчлөлтийг тооцоол. Халуун ус ба хүйтэн усыг сайн дулаалгатай, битүү саванд холино. Дулаан дамжуулалт нь эргэлт буцалтгүй үйл явц юм.
шийдэл
Усны хувийн дулаан (c) = 4180 Ж/кг C o
Усны масс = 2 кг
Усны масс ижил тул эцсийн температур = 24 o C (26 o C + 22 o C / 2 = 48 o C / 2 = 24 o C).
Температурыг 26°C - 24°C-аас бууруулахад халуун уснаас ялгарах дулааны хэмжээ нь:
Q = mc ΔT = (2 кг) (4180 Ж / кг C o ) (26 ° C – 24 ° C) = (2 кг) (4180 Ж / кг C o ) (2 ° C) = 16720 Ж
Температур 22 ° C-24 ° C -аас дээшлэх үед хүйтэн усанд шингээгддэг дулааны хэмжээ нь :
Q = mc ΔT = (2 кг) (4180 Ж / кг C₂ ) (24 ° C – 22 ° C) = (2 кг) (4180 Ж / кг C₂ ) (2 ° C) = 16720 Ж
Нийт энтропийн өөрчлөлт = халуун усны энтропийн өөрчлөлт + хүйтэн усны энтропийн өөрчлөлт
Δ S = Δ S халуун ус + Δ S хүйтэн ус
Δ S = Q/T + Q/T
Халуун усны дундаж температур = (26 o C + 24 o C) / 2 = 50 o C / 2 = 25 o C —- 25 + 273 = 298 K
Хүйтэн усны дундаж температур = (22 ° C + 24 ° C) / 2 = 46 ° C / 2 = 23 ° C —- 23+273 = 296 K
Халуун ус дулаан ялгаруулдаг тул Q нь сөрөг утгатай. Хүйтэн ус дулааныг шингээдэг тул Q нь эерэг утгатай.
Δ S = Δ S халуун ус + Δ S хүйтэн ус
Δ S = -Q/T + Q/T
Δ S = -16720/298 + 16720/296
Δ S = -56.107 + 56.486
Δ S = 0.379 Ж/К
Нийт энтропи 0.379 Ж/К-ээр нэмэгдсэн
Системийн хэсэгчилсэн энтропи буурч (-56.107 Ж/К) байгаа ч системийн хэсэгчилсэн энтропи илүү их хэмжээгээр (+ 56.486 Ж/К) нэмэгддэг тул нийт энтропи үргэлж (+ 0.379 Ж/К) нэмэгддэг.
Эргэлт буцалтгүй үйл явц дахь нийт энтропийн өсөлт нь зөвхөн дээр шинжилсэн халуун ба хүйтэн усны холимог хоорондын дулаан дамжуулалтад хамаарахаас гадна эрдэмтдийн судалсан бүх тохиолдолд хамаарна. Хэрэв үйл явц урвуу явагдвал нийт тогтмол энтропийн утга. Хэрэв үйл явц эргэлт буцалтгүй явагдвал нийт энтропийн утга үргэлж нэмэгдэнэ.
Бидний өдөр тутмын амьдрал дахь бүх байгалийн үйл явц эргэлт буцалтгүй тул нийт энтропи нэмэгдэх ёстой. Энэ баримтыг дараах өгүүлбэрт нэгтгэн дүгнэж болно:
Эргэлт буцалтгүй үйл явцад систем болон орчны нийт энтропи үргэлж өсөн нэмэгдэж байдаг.
Энэ мэдэгдэл нь термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн ерөнхий мэдэгдэл юм. Термодинамикийн хоёрдугаар хууль нь бусад физикийн хуулиас өөр юм. Ихэвчлэн физикийн хуулиудыг тэгшитгэлтэй (Ньютоны хууль) эсвэл мөнхийн хууль (энерги хадгалагдах хууль) хэлбэрээр илэрхийлдэг.
