Entropy

Mawu enieni a lamulo lachiwiri la thermodynamics sangafotokoze za njira zonse zosasinthika, kotero tikufunika mawu onse. Mawu onsewa akuyembekezeka kufotokoza njira zonse zosasinthika zomwe zimachitika m'chilengedwe chonse. Mawu onse a lamulo lachiwiri la thermodynamics adapangidwa pakati pa zaka za m'ma 1800, kudzera mu kuchuluka kotchedwa entropy (S). Entropy idayambitsidwa koyamba ndi Clausius ndipo idapangidwa kuchokera ku Carnot cycle (injini ya caloric yoyenera). Malinga ndi Clausius, kusintha kwa entropy kumachitika ndi dongosolo, pamene dongosolo limalandira kutentha kowonjezera (Q) pa kutentha kosasintha, komwe kumaimiridwa ndi equation:

ΔS = Kusintha kwa Entropy, Q = Kutentha, T = Tkutentha

Entropy ndi kuchuluka komwe kumafotokoza momwe dongosololi lilili pang'ono kwambiri kotero kuti silingathe kudziwika mwachindunji. Kumene kungawerengedwe kokha kusintha kwa entropy. Mofanana ndi kusintha kwa mphamvu yamkati mu lamulo loyamba la thermodynamics.

Chitsanzo 1:

Mpweya womwe uli mu chidebecho umakula pang'onopang'ono. Kusintha kwa mpweya woipa ndi…

Solutions

Pa nthawi ya adiabatic, palibe kutentha komwe kumalowa kapena kutuluka mu dongosolo (mpweya). Popeza Q = 0 ndiye ΔS = 0. Dongosolo la entropy limakhala lokhazikika. Nanga bwanji za kupsinjika kwa adiabatic? Pa nthawi ya kupsinjika kwa adiabatic, palibe kutentha komwe kumalowa kapena kutuluka mu dongosolo (Q = 0). Chifukwa chake, entropy ya dongosololi imakhala yokhazikika.

Chitsanzo 2:

Injini ya Carnot imatenga kutentha kwa 2000 J pa 500 K, imatulutsa kutentha pa 350 K. Werengani kutentha komwe kwatulutsidwa, ndi kusintha kwa entropy yonse pa nthawi imodzi.

Solutions

T_H = 500 k

Q_H = 2000 J

T_L = 350 k

Q_L = ….. ?

Ngati dongosolo lilandira kutentha, Q ndi yabwino, ngati dongosolo litulutsa kutentha, Q ndi yoipa.

Pa nthawi imodzi, injini ya Carnot imadutsa mu njira ziwiri zosinthika za isothermal (kukulitsa kwa isothermal + kupsinjika kwa isothermal) ndi njira ziwiri zosinthika za adiabatic (kukulitsa kwa adiabatic ndi kupsinjika kwa adiabatic). Pa nthawi yokulitsa ndi kupsinjika, palibe kutentha komwe kumalowa kapena kutuluka mu dongosolo (Q = 0). Popeza Q = 0, entropy imasintha panthawi ya njira ya adiabatic = 0.

Pakukula kwa isothermal, injini imayamwa kutentha (Q) kwa 2000 J pa kutentha (T) 500 K. Chifukwa injini imayamwa kutentha, ndiye kuti Q ndi yabwino. Kusintha kwa entropy ya makina panthawi yakukula kwa isothermal ndi:

Pa nthawi ya kupsinjika kwa isothermal, injini imatulutsa kutentha (Q) mpaka 1400 J pa kutentha kwa (T) 350 K. Chifukwa injini imatulutsa kutentha, ndiye kuti Q ndi negative. Kusintha kwa entropy ya makina panthawi ya kukanikiza kwa isothermal ndi:

Kusintha konse kwa entropy = 4 J / K – 4 J / K = 0

Chitsanzo 3:

Injini imatenga kutentha kwa 600 J pa kutentha kwa 300 °C, imatulutsa kutentha pa kutentha kwa 100 °C. Imawerengera kutentha komwe kumatulutsidwa, ndikusintha entropy yonse pa nthawi imodzi.

Solutions

T_H = 300 k

Q_H = 600 J

T_L = 100 k

Q_L =?

Pa nthawi imodzi, injini ya Carnot imadutsa mu njira ziwiri zosinthika za isothermal (kukulitsa kwa isothermal + kupsinjika kwa isothermal) ndi njira ziwiri zosinthika za adiabatic (kupsinjika kwa adiabatic ndi kukulitsa kwa adiabatic). Pa nthawi yowonjezereka ndi kupsinjika kwa adiabatic, palibe kutentha komwe kumalowa kapena kutuluka mu dongosolo (Q = 0). Chifukwa Q = 0 ndiye kuti entropy imasintha panthawi ya njira ya adiabatic = 0.

Pakukula kwa isothermal, injini imayamwa kutentha (Q) kwa 600 J pa kutentha kwa (T) 300 K. Chifukwa injini imayamwa kutentha, ndiye kuti Q ndi yabwino. Kusintha kwa entropy ya makina panthawi yakukula kwa isothermal ndi:

Pa nthawi ya kupsinjika kwa isothermal, injini imatulutsa kutentha (Q) 200 J pa kutentha (T) 100 K. Chifukwa injini imatulutsa kutentha, ndiye kuti Q ndi negative. Kusintha kwa entropy ya makina panthawi ya kupsinjika kwa isothermal ndi:

Kusintha konse kwa entropy = 2 J / K – 2 J / K = 0

Kutengera chitsanzo nambala 2 ndi chitsanzo nambala 3, kusintha kwa entropy yonse pa njira yosinthika = 0. Mu njira yosinthika, entropy yonse nthawi zonse imakhala yokhazikika.

Chitsanzo 4:

Ice 2 kg pa 0 °C imayamwa kutentha, kotero imasungunuka. Werengani kusintha kwa entropy ya ayezi. (Kutentha kwa fusion ya madzi = 3.34 x 10⁵ J / Kg)

Solutions

Kulemera kwa ayezi = 2 kg

Kutentha kwa ayezi = 0 ^oC + 273 = 273 K

Kutentha kwa kusakanikirana kwa madzi = 3.34 x 10⁵ J / Kg

Kutentha komwe kumafunika kuti asungunuke 2 kg ya ayezi m'madzi:

Q = mL

Q = (2 kg)(3.34 x 10⁵ J/Kg)

Q = 6.68 x 10⁵ J

Q = 668 x 10³ J

Pa nthawi yosungunuka (kusandulika ayezi kukhala madzi), kutentha kumakhala kofanana. Popeza kutentha kumakhala kofanana, ndiye kuti kusintha kwa entropy ya ayezi ndi:

Chitsanzo 5:

Madzi pa 26 °C amasakanizidwa ndi madzi pa 22 °C. Kulemera kwa madzi ndi 2 kg. Werengani kusintha kwa entropy ya madzi. Madzi otentha ndi madzi ozizira amasakanizidwa mu chidebe chotsekedwa bwino komanso chotetezedwa bwino. Kusamutsa kutentha ndi njira yosasinthika.

Solutions

^{Kutentha kwapadera ya madzi (c) =} 4180 J/Kg C^o

Kulemera kwa madzi = 2 kg

Madzi ndi ofanana, kotero kutentha komaliza = 24 ^oC (26 ^oC+22 ^oC / 2 = 48 ^oC / 2 = 24 ^oC).

Kuchuluka kwa kutentha komwe kumatulutsidwa ndi madzi otentha kutentha kukachepa kuchokera pa 26 °C mpaka 24 °C ndi:

Q = mc ΔT = (2 kg) (4180 J / kg C^o(26) ^oC - 24 ^oC) = (2 Kg) (4180 J / kg C^o(2) ^oC) = 16720 J

Kuchuluka kwa kutentha komwe kumatengedwa ndi madzi ozizira kutentha kukakwera kuchokera pa madigiri 22^oC - 24^oC ndi:

Q = mc ΔT = (2 kg) (4180 J / kg C^o(24) ^oC - 22 ^oC) = (2 kg) (4180 J / kg C^o(2) ^oC) = 16720 J

Kusintha konse kwa entropy = kusintha kwa entropy ya madzi otentha + kusintha kwa entropy ya madzi ozizira

ΔS = ΔMadzi otentha + ΔMadzi ozizira a S

ΔS = Q/T + Q/T

Kutentha kwapakati pa madzi otentha = (26) ^oC+24 ^oC) / 2 = 50 ^oC / 2 = 25 ^oC —- 25 + 273 = 298 K

Kutentha kwapakati pa madzi ozizira = (22) ^oC+24 ^oC) / 2 = 46 ^oC / 2 = 23 ^oC —- 23 + 273 = 296 K

Madzi otentha amatulutsa kutentha, kotero Q ndi negative. Madzi ozizira amayamwa kutentha, kotero Q ndi positive.

ΔS = ΔMadzi otentha + ΔMadzi ozizira a S

ΔS = -Q/T + Q/T

ΔS = -16720/298 + 16720/296

ΔS = -56.107 + 56.486

ΔS = 0.379 J/K

Entropy yonse yawonjezeka ndi 0.379 J/K

Ngakhale kuti gawo la entropy la dongosolo limachepa (-56.107 J/K), gawo la entropy la dongosolo limawonjezeka kwambiri (+ 56.486 J / K) kotero kuti entropy yonse imawonjezeka nthawi zonse (+ 0.379 J / K).

Kuwonjezeka kwa entropy yonse mu njira yosasinthika sikungogwira ntchito pa kusamutsa kutentha pakati pa zosakaniza za madzi otentha ndi ozizira zomwe zafufuzidwa pamwambapa, komanso kumagwiranso ntchito pa milandu yonse yomwe asayansi afufuza. Entropy yonse yokhazikika ngati njirayi ichitika mobwerera m'mbuyo. Ngati njirayi ichitika mosabwerera m'mbuyo, ndiye kuti entropy yonse imawonjezeka nthawi zonse.

Machitidwe onse achilengedwe m'moyo wathu watsiku ndi tsiku sangasinthe kotero kuti entropy yonse iyenera kuwonjezeka. Izi zafotokozedwa mwachidule mu chiganizo chotsatirachi:

Mu njira yosasinthika, entropy yonse ya dongosolo ndi chilengedwe ikukula nthawi zonse.

Mawu awa ndi mawu wamba a lamulo lachiwiri la thermodynamics. Lamulo lachiwiri la thermodynamics ndi losiyana ndi malamulo ena achilengedwe. Kawirikawiri, malamulo a fizikisi amafotokozedwa ponena za ma equation (lamulo la Newton) kapena mu mawonekedwe a lamulo lamuyaya (lamulo losunga mphamvu).