எண்ட்ரோபி

வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியின் குறிப்பிட்ட கூற்றால் அனைத்து மீளாச் செயல்முறைகளையும் விவரிக்க முடியாது, எனவே நமக்கு ஒரு பொதுவான கூற்று தேவைப்படுகிறது. இந்தப் பொதுவான கூற்று, பிரபஞ்சத்தில் நிகழும் அனைத்து மீளாச் செயல்முறைகளையும் விளக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது. வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியின் பொதுவான கூற்று, பத்தொன்பதாம் நூற்றாண்டின் மத்தியில், என்ட்ரோபி (S) எனப்படும் ஒரு அளவின் மூலம் உருவாக்கப்பட்டது. என்ட்ரோபி முதன்முதலில் கிளாசியஸால் அறிமுகப்படுத்தப்பட்டது மற்றும் கார்னோ சுழற்சியிலிருந்து (சரியான கலோரி இயந்திரம்) உருவாக்கப்பட்டது. கிளாசியஸின் கூற்றுப்படி, ஒரு அமைப்பு நிலையான வெப்பநிலையில் கூடுதல் வெப்பத்தைப் (Q) பெறும்போது என்ட்ரோபி மாற்றங்கள் ஏற்படுகின்றன, இது பின்வரும் சமன்பாட்டால் குறிப்பிடப்படுகிறது:

Δ S = என்ட்ரோபி மாற்றங்கள், Q = வெப்பம், T = T வெப்பநிலை

என்ட்ரோபி என்பது ஒரு அமைப்பின் நுண்ணிய நிலையைக் குறிப்பிடும் ஒரு அளவு ஆகும், எனவே அதை நேரடியாக அறிய முடியாது. என்ட்ரோபி மாற்றங்களை மட்டுமே கணக்கிட முடியும். இது வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியில் உள்ள அக ஆற்றல் மாற்றத்தைப் போன்றது.

எடுத்துக்காட்டாக 1:

கலனில் உள்ள வாயு வெப்பப்பரிமாற்றமின்றி விரிவடைகிறது. வாயுவின் என்ட்ரோபி மாற்றம்…

தீர்வுகள்

வெப்பமாறா செயல்முறையின் போது, ​​அமைப்பிற்குள் (வாயுவிற்குள்) வெப்பம் நுழைவதோ வெளியேறுவதோ இல்லை. Q = 0 என்பதால், ΔS = 0. அமைப்பின் என்ட்ரோபி மாறிலியாகும். வெப்பமாறா அமுக்கத்தைப் பற்றி என்ன? வெப்பமாறா அமுக்கத்தின் போது, ​​அமைப்பிற்குள் வெப்பம் நுழைவதோ வெளியேறுவதோ இல்லை (Q = 0). எனவே, அமைப்பின் என்ட்ரோபி மாறிலியாகும்.

எடுத்துக்காட்டாக 2:

கார்னோ இயந்திரம் 500 K வெப்பநிலையில் 2000 J வெப்பத்தை உறிஞ்சி, 350 K வெப்பநிலையில் வெப்பத்தை வெளியிடுகிறது. வெளியிடப்பட்ட வெப்பத்தையும், ஒரு சுழற்சிக்கான மொத்த என்ட்ரோபி மாற்றத்தையும் கணக்கிடுங்கள்.

தீர்வுகள்

T _H = 500 K

Q _H = 2000 J

T _L = 350 K

Q _L = ….. ?

அமைப்பு வெப்பத்தைப் பெற்றால், Q நேர்மறையாக இருக்கும்; அமைப்பு வெப்பத்தை வெளியிட்டால், Q எதிர்மறையாக இருக்கும்.

ஒரு சுழற்சியின் போது, ​​கார்னோ இயந்திரம் இரண்டு மீளக்கூடிய சமவெப்ப செயல்முறைகளையும் (சமவெப்ப விரிவு + சமவெப்ப சுருக்கம்) மற்றும் இரண்டு மீளக்கூடிய வெப்பமாறா செயல்முறைகளையும் (வெப்பமாறா விரிவு மற்றும் வெப்பமாறா சுருக்கம்) மேற்கொள்கிறது. விரிவு மற்றும் சுருக்கத்தின் போது, ​​அமைப்பிற்குள் வெப்பம் நுழைவதோ வெளியேறுவதோ இல்லை (Q = 0). Q = 0 என்பதால், வெப்பமாறா செயல்முறையின் போது ஏற்படும் என்ட்ரோபி மாற்றம் = 0.

சமவெப்ப விரிவின் போது, ​​இயந்திரம் 500 K வெப்பநிலையில் (T) 2000 J வெப்பத்தை (Q) உறிஞ்சுகிறது. இயந்திரம் வெப்பத்தை உறிஞ்சுவதால், Q நேர்மறையாக இருக்கும். சமவெப்ப விரிவின் போது இயந்திரத்தின் என்ட்ரோபி மாற்றம்:

சமவெப்ப அழுத்தத்தின் போது, ​​இயந்திரம் 350 K வெப்பநிலையில் 1400 J வெப்பத்தை (Q) வெளியிடுகிறது. இயந்திரம் வெப்பத்தை வெளியிடுவதால், Q எதிர்மறையாக இருக்கும். சமவெப்ப அழுத்தங்களின் போது இயந்திரத்தின் என்ட்ரோபி மாற்றம்:

மொத்த என்ட்ரோபி மாற்றம் = 4 J / K – 4 J / K = 0

எடுத்துக்காட்டாக 3:

இயந்திரம் 300 °C வெப்பநிலையில் 600 J வெப்பத்தை உறிஞ்சி, 100 °C வெப்பநிலையில் வெப்பத்தை வெளியிடுகிறது. வெளியிடப்பட்ட வெப்பத்தையும், ஒரு சுழற்சிக்கான மொத்த என்ட்ரோபி மாற்றங்களையும் கணக்கிடுங்கள்.

தீர்வுகள்

T _H = 300 K

Q _H = 600 J

T _L = 100 K

Q _L = ?

ஒரு சுழற்சியின் போது, ​​கார்னோ இயந்திரம் இரண்டு மீளக்கூடிய சமவெப்ப செயல்முறைகளையும் (சமவெப்ப விரிவு + சமவெப்ப அமுக்கம்) மற்றும் இரண்டு மீளக்கூடிய வெப்பமாறா செயல்முறைகளையும் (வெப்பமாறா அமுக்கம் மற்றும் வெப்பமாறா விரிவு) மேற்கொள்கிறது. வெப்பமாறா விரிவு மற்றும் அமுக்கத்தின் போது, ​​அமைப்பிற்குள் வெப்பம் நுழைவதோ வெளியேறுவதோ இல்லை (Q = 0). Q = 0 என்பதால், வெப்பமாறா செயல்முறையின் போது ஏற்படும் என்ட்ரோபி மாற்றம் = 0.

சமவெப்ப விரிவின் போது, ​​இயந்திரம் 300 K வெப்பநிலையில் 600 J வெப்பத்தை (Q) உறிஞ்சுகிறது. இயந்திரம் வெப்பத்தை உறிஞ்சுவதால், Q நேர்மறையாக இருக்கும். சமவெப்ப விரிவின் போது இயந்திரத்தின் என்ட்ரோபி மாற்றம்:

சமவெப்ப அமுக்கத்தின் போது, ​​இயந்திரம் 100 K வெப்பநிலையில் 200 J வெப்பத்தை (Q) வெளியிடுகிறது. இயந்திரம் வெப்பத்தை வெளியிடுவதால், Q எதிர்மறையாக இருக்கும். சமவெப்ப அமுக்கத்தின் போது இயந்திரத்தின் என்ட்ரோபி மாற்றம்:

மொத்த என்ட்ரோபி மாற்றம் = 2 J / K – 2 J / K = 0

எடுத்துக்காட்டு 2 மற்றும் 3-இன் அடிப்படையில், மீள் செயல்முறைக்கான மொத்த என்ட்ரோபி மாற்றம் = 0. மீள் செயல்முறையில், மொத்த என்ட்ரோபி எப்போதும் மாறிலியாக இருக்கும்.

எடுத்துக்காட்டு 4 :

0 °C வெப்பநிலையில் உள்ள 2 கிலோகிராம் பனிக்கட்டி வெப்பத்தை உறிஞ்சி உருகுகிறது. பனிக்கட்டியின் என்ட்ரோபி மாற்றத்தைக் கணக்கிடுங்கள். (நீரின் உருகுதல் வெப்பம் = 3.34 x 10⁵ ^J / Kg)

தீர்வுகள்

பனிக்கட்டியின் நிறை = 2 கிலோ

பனிக்கட்டியின் வெப்பநிலை = 0 ^° C + 273 = 273 K

நீரின் உருகுதல் வெப்பம் = 3.34 x 10⁵ ^J / Kg

2 கிலோகிராம் பனிக்கட்டியை உருக்கி நீராக மாற்றுவதற்குத் தேவைப்படும் வெப்பம்:

Q = mL

Q = (2 கி.கி)(3.34 x 10 ⁵ ஜூல்/கி.கி)

Q = 6.68 x 10 ⁵ J

Q = 668 x ^10³ J

பனிக்கட்டி நீராக உருகும் செயல்முறையின் போது, ​​வெப்பநிலை மாறாமல் இருக்கும். வெப்பநிலை மாறாமல் இருப்பதால், பனிக்கட்டியின் என்ட்ரோபி மாற்றம்:

எடுத்துக்காட்டாக 5:

26 °C வெப்பநிலையில் உள்ள நீர், 22 °C வெப்பநிலையில் உள்ள நீருடன் கலக்கப்படுகிறது. நீரின் நிறை 2 கிலோகிராம் ஆகும். நீரின் என்ட்ரோபி மாற்றத்தைக் கணக்கிடுக. நன்கு காப்பிடப்பட்ட, மூடிய கொள்கலனில் சூடான நீரும் குளிர்ந்த நீரும் கலக்கப்படுகின்றன. வெப்பப் பரிமாற்றம் ஒரு மீளாச் செயல்முறையாகும்.

தீர்வுகள்

^{நீரின் தன்வெப்பம்} (c) = 4180 J/Kg C ^o

நீரின் நிறை = 2 கிலோ

நீரின் நிறை ஒரே மாதிரியாக இருப்பதால், இறுதி வெப்பநிலை = 24 ^° C (26 ^° C + 22 ^° C / 2 = 48 ^° C / 2 = 24 ^° C).

சுடுநீரின் வெப்பநிலையை 26 °C இலிருந்து 24 °C ஆகக் குறைக்கும்போது வெளியிடப்படும் வெப்பத்தின் அளவு:

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

^{வெப்பநிலை 22 °} C இலிருந்து 24 ^° C ஆக உயரும்போது குளிர்ந்த நீரால் உறிஞ்சப்படும் வெப்பத்தின் அளவு :

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

மொத்த என்ட்ரோபி மாற்றம் = வெந்நீர் என்ட்ரோபி மாற்றம் + குளிர்நீர் என்ட்ரோபி மாற்றம்

Δ S = Δ S சுடு நீர் + Δ S குளிர் நீர்

Δ S = Q/T + Q/T

வெந்நீரின் சராசரி வெப்பநிலை = (26 ^° C + 24 ^° C) / 2 = 50 ^° C / 2 = 25 ^° C —- 25 + 273 = 298 K

குளிர்ந்த நீரின் சராசரி வெப்பநிலை = (22 ^° C + 24 ^° C) / 2 = 46 ^° C / 2 = 23 ^° C —- 23 + 273 = 296 K

வெந்நீர் வெப்பத்தை வெளியிடுகிறது, எனவே Q எதிர்மறையாகும். குளிர் நீர் வெப்பத்தை உறிஞ்சுகிறது, எனவே Q நேர்மறையாகும்.

Δ S = Δ S சுடு நீர் + Δ S குளிர் நீர்

Δ S = -Q/T + Q/T

Δ S = -16720/298 + 16720/296

Δ S = -56.107 + 56.486

Δ S = 0.379 J/K

மொத்த என்ட்ரோபி 0.379 J/K அளவு அதிகரித்தது.

அமைப்பின் பகுதி என்ட்ரோபி குறைந்தாலும் (-56.107 J/K), அமைப்பின் பகுதி என்ட்ரோபி அதிக அளவில் (+ 56.486 J/K) அதிகரிப்பதால், மொத்த என்ட்ரோபி எப்போதும் (+ 0.379 J/K) அதிகரிக்கிறது.

மீளாச் செயல்முறையில் ஏற்படும் மொத்த என்ட்ரோபியின் அதிகரிப்பு, மேலே பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்ட சூடான மற்றும் குளிர்ந்த நீர் கலவைகளுக்கு இடையேயான வெப்பப் பரிமாற்றத்திற்கு மட்டுமல்லாமல், விஞ்ஞானிகளால் ஆராயப்பட்ட அனைத்து நிகழ்வுகளுக்கும் பொருந்தும். செயல்முறை மீளும் வகையில் நடந்தால், மொத்த என்ட்ரோபி நிலையானதாக இருக்கும். செயல்முறை மீளாச் செயல்முறையாக நடந்தால், மொத்த என்ட்ரோபி எப்போதும் அதிகரிக்கும்.

நமது அன்றாட வாழ்வில் உள்ள அனைத்து இயற்கை செயல்முறைகளும் மீள முடியாதவை, அதனால் மொத்த என்ட்ரோபி அதிகரிக்க வேண்டும். இந்த உண்மை பின்வரும் வாக்கியத்தில் சுருக்கமாகக் கூறப்பட்டுள்ளது:

மீள முடியாத ஒரு செயல்முறையில், அமைப்பு மற்றும் சுற்றுச்சூழலின் மொத்த என்ட்ரோபி எப்போதும் வளர்ந்து கொண்டே இருக்கிறது.

இந்தக் கூற்று வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியின் ஒரு பொதுவான கூற்றாகும். வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதி மற்ற இயற்பியல் விதிகளிலிருந்து வேறுபட்டது. வழக்கமாக, இயற்பியல் விதிகள் சமன்பாடுகள் (நியூட்டனின் விதி) மூலமாகவோ அல்லது நித்திய விதி (ஆற்றல் அழிவின்மை விதி) வடிவிலோ வெளிப்படுத்தப்படுகின்றன.