Кіріспе

Термодинамикалық жүйелердегі тәртіпсіздіктің өлшемі. Классикалық термодинамикада энтропия – термодинамикалық жүйенің ішіндегі спонтанды өзгерістердің бағытын немесе нәтижесін көрсететін қасиет. Бұл термин 19-шы ғасырдың ортасында Рудольф Клаузиус тарапынан жылу және жұмыс түріндегі түрленулерге қолжетімді немесе қолжетімсіз ішкі энергияның қатынасын түсіндіру үшін енгізілген. Энтропия энергияның сақталу заңын бұзбаса да, кейбір процестердің қайтымсыз немесе мүмкін емес екенін болжайды. Энтропияның анықтамасы термодинамиканың екінші заңының негізгі бөлігі болып табылады, ол оқшауланған жүйелердің энтропиясы уақыт өте келе кемімейтінін, олардың әрқашан энтропияның ең жоғары деңгейде болатын термодинамикалық тепе-теңдік күйіне ұмтылатынын көрсетеді. Сондықтан энтропия жүйедегі тәртіпсіздіктің өлшемі деп есептеледі. Людвиг Болцман энтропияны жүйенің макроскопиялық күйіне (макростатына) сәйкес келетін жүйенің жеке атомдары мен молекулаларының мүмкін микроскопиялық конфигурацияларының санының (микрокүйлер) өлшемі ретінде түсіндірді. Ол термодинамикалық энтропияның k ln Ω тең екенін көрсетті, мұндағы k коэффициенті кейіннен Болцман тұрақтысы деп аталды.

Тұжырымдама

Термодинамикалық жүйенің қысымы, тығыздығы және температурасы арасындағы айырмашылықтар уақыт өте келе теңеседі. Мысалы, балқып жатқан мұздың шынысы бар бөлмеде, жылы бөлме мен суық мұз бен судың арасындағы температура айырмашылығы, бөлмеден салқын мұз бен су қоспасына жылу түрінде энергия ағып өту арқылы теңеседі. Уақыт өте келе, шыны мен оның ішіндегі заттардың температурасы және бөлменің температурасы тепе-теңдікке жетеді. Бөлменің энтропиясы төмендейді. Дегенмен, мұз бен судың энтропиясы бөлменің энтропиясының төмендеуінен гөрі артық көбейеді. Оқшауланған жүйеде, мысалы, бөлме мен мұзды суды бірге қарастырғанда, энергияның жылы аймақтардан салқын аймақтарға таралуы әрқашан энтропияның жалпы өсуіне алып келеді. Осылайша, бөлме мен мұздық су жүйесі жылулық тепе-теңдікке жеткен кезде, бастапқы күйден энтропияның өзгеруі максималды болады. Термодинамикалық жүйенің энтропиясы – теңесу процесінің барысын өлшеуге мүмкіндік береді. Көптеген қайтымсыз процестер энтропияның артуына себеп болады. Олардың бірі – екі немесе одан көп әртүрлі заттарды араластыру, оларды бөліп тұрған қабырғаны алып тастау арқылы, температура мен қысымды тұрақты ұстап тұру. Араластыру энтропиямен бірге жүзеге асады. Идеалдық газдарды араластырудың маңызды жағдайында, біріктірілген жүйе жұмыс немесе жылу алмасу арқылы ішкі энергиясын өзгертпейді; энтропияның өсуі толығымен әртүрлі заттардың жаңа ортақ көлемге таралуына байланысты. Макроскопиялық тұрғыдан қарағанда, классикалық термодинамикада энтропия – термодинамикалық жүйенің күй функциясы болып табылады, яғни жүйенің қазіргі күйіне ғана тәуелді, ал ол күйге қалай қол жеткеніне тәуелсіз қасиет. Энтропия – термодинамиканың екінші заңының маңызды құрамдас бөлігі, ол жылу машиналарының, тоңазытқыштардың және жылу сорғыларының жұмыс істеуі үшін маңызды салдарларға ие.

Температура-энтропия диаграммалары

Маңызды заттардың энтропиялық шамаларын анықтамалық еңбектерден немесе коммерциялық бағдарламалық құралдар арқылы кесте түрінде немесе диаграммалар түрінде алуға болады. Ең көп қолданылатын диаграммалардың бірі – температура-энтропия диаграммасы (TS диаграммасы). Мысалы, 2-суретте азоттың TS диаграммасы көрсетілген, онда балқу қисығы, қаныққан сұйық және бу күйлерінің шамалары изобарлармен және изоэнтальпиялармен бейнеленген.

Қайталанбайтын түрлендірулердегі энтропияның өзгеруі

Біз қазір ішкі түрлендірулер (процестер) жүзеге асырылатын біртекті емес жүйелерді қарастырамыз. Егер біз мұндай ішкі процесс алдындағы S1 және кейінгі S2 энтропияларын есептесек, термодинамиканың екінші заңы S2 ≥ S1 талабын қояды, мұнда теңдік белгісі процесс қайтымды болған жағдайда ғана орынды. 1=Si = S2 − S1 айырмасы – қайтымсыз процесске байланысты энтропияның өндірілуі. Екінші заңға сәйкес, оқшауланған жүйенің энтропиясы кемдеуге болмайды. Жүйенің қоршаған ортадан жылулық және механикалық тұрғыдан оқшауланған (оқшауланған жүйе) деп есептейік. Мысалы, газбен толтырылған екі көлемге қозғалмалы бөлікпен бөлінген жылу оқшауланған, қатты қорапты қарастырайық. Егер бір газдың қысымы жоғарырақ болса, ол бөлікті жылжыту арқылы кеңейеді, соның салдарынан екінші газға жұмыс жасайды. Сондай-ақ, егер газдар әртүрлі температурада болса, бөлік жылу өткізгіштікке мүмкіндік берсе, жылу бір газdan екіншісіне ағып өтуі мүмкін. Жоғарыда айтылған нәтижелер жүйенің жалпы энтропиясы осы процестер кезінде артатынын көрсетеді. Аталған жағдайларда жүйеде энтропияның максималды шамасы болады. Бұл энтропия тұрақты тепе-теңдік күйіне сәйкес келеді, себебі кез келген басқа тепе-теңдік күйіне өту энтропияның төмендеуіне әкеледі, ал мұндай нәрсеге жол берілмейді. Жүйе осы максималды энтропиялық күйге жеткеннен кейін, жүйенің ешбір бөлігі басқа бөлікке жұмыс жасай алмайды. Осылайша, энтропия – жүйедегі жұмыс істеуге пайдаланылмаған энергияның өлшемі. Қайтымсыз процесс термодинамикалық жүйенің жұмыс істеу немесе салқындату үшін жасалған тиімділігін төмендетеді және энтропияның өндірілуіне әкеледі. Қайтымды процесс кезінде энтропияның өндірілуі нөлге тең. Демек, энтропияның өндірілуі – қайтымсыздықтың өлшемі болып табылады және инженерлік процестер мен машиналарды салыстыру үшін қолданылуы мүмкін.