مقاله آنتروپی

دانلود مقاله آنتروپی

مقدمه:

قانون اول به عرض انرژی درونی منجر شد تابع حالتی که بر اساس آن امکان‌پذیر بودن تحولات تشخیص داده می‌شود. فقط تحولاتی که در آنها انرژی کل سیستم منزوی ثابت می‌ماند می‌تواند اتفاق بیفتد.

قانون دوم هم به یک تابع حالت منجر می‌شود آنتروپی (s). از این تابع حالت تشخیص می‌دهیم که آیا با یک تحول خود به خودی می‌توان از حالتی به حالت دیگر رسید یا نه؟ آنتروپی جهان بعد از وقوع تحول خود به خودی افزایش می‌یابد.

در قانون اول با استفاده از انرژی داخلی ـ تحولات مجاز تشخیص داده می‌شود. در قانون دوم با استفادهاز آنتروپی تحولات خود به خودی از بین همان تحولاتی که بر اساس قانون اول مجازی باشد شناسانی می‌شود.

یک روش برای معرفی آنتروپی توسعه این دیدگاه است که میزان پراکندگی انرژی را بتوان محاسبه کرد. این روش به تعریف آماری آنتروپی منجر شد. تا آن موقع درباره ترازهای انرژی اتمی و ملکولی اطلاعات بیشتری خواهیم داشت. روش دیگر توسعه این دیدگاه است که می‌توان پراکندگی را به گرمایی ربط داد که در فرآیند دخالت دارد. این روش به تعریف ترمودینامیکی آنتروپی منجر می‌شود.

قانون دوم:

تولید گرما در اثر سقوط وزنه‌ای در یک مخزن اصلی‌ترین مثال برای فرآیند برگشت‌ناپذیر خود به خودی است.

چند نکته مهم مقدماتی وجود دارد. فرآیندهای برگشت‌ناپذیر (مانند سرمایش و انبساط آزاد گازها) فرآیندهای خود به خودی هستند. آنها باعث انحطاط کیفیت انرژی می‌شوند و بنابراین آنتروپی جهان را افزایش می‌دهند.

فرآیندهای برگشت‌پذیر تحولات کاملاً موازنه‌شده‌ای می‌باشند. سامانه در هر مرحله‌ای با محیط‌اش در تعادل است هر مرحله بسیار کوچک در طول یک مسیر برگشت‌پذیر شبه‌ایستا ـ برگشت‌پذیر می‌باشد. و بدون انحطاط کیفیت انرژی بدون پراکندگی انرژی به طور نامنظم و بدون افزایش آنتروپی جهان اتفاق می‌افتد. فرآیندهای برگشت‌پذیر آنتروپی ایجاد نمی‌کنند.

دومین نکته، مشاهده‌ای است که مبنای تجربی دارد بدون انحطاط انرژی در جایی از جهان معکوس هیچ پدیده خود به خودی اتفاق نیفتاده است. عبارت دیگر با وجودی که قطعاً این امکان وجود دارد که اختلاف دمایی بین دو شیئی را به حالت اولیه باز گرداند ـ اینکار فقط به قیمت انحطاط انرژی در جای دیگری می‌تواند انجام شود.

مثلاً به کمک یخچالی که با الکتریسیته ناشی از سقوط وزنه‌ها کار می‌کند. بالاخص عکس فرآیند خود به خودی بدون هیچ تغییری در جای دیگری هرگز مشاهده نشده است. یعنی بالا رفتن وزنه به قیمت گرمای ناشی از یک مخزن هرگز مشاهده نگردیده است این نکه بر اضل کلی زیر ارتقا شده است:

قانون دوم: فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک مخزن و تبدیل کامل آن ره کار باشد امکان‌پذیر نیست. باید اهمیت کلمات «تنها نتیجه» را درک کنیم. مفهوم آن این است که هر سیستمی باید سیکل کاملی را طی کند و به حالت اولیه‌اش باز گردد. هر گازی باید به حجم اولیه‌اش برگردد و غیره. توجه کنیم که فرآیندهای طبیعی که تنها نتیجه آنها تبدیل کار به گرما است بر اساس این قانون مجاز می‌باشد. این قانون نامتقارن است: یعنی یک دسته از فرآیندهای امکان‌پذیری که بر اساس قانون اول بازند را لغو می‌کند.

تعریف آنتروپی:

حالا همه این معادله به صورت کمی درمی‌آوریم. این کار با روشن ساختن این نکته انجام می‌گیرد که مفهوم تغییر آنتروپی سیستم مرجع چیست. برای نشان دادن سیستم مربع از علامت + استفاده می‌کنیم همچنین با انتقال انرژی به هر مخزنی هر چقدر هم که مقدار انرژی زیاد باشد دمای مخزن همواره ثابت می‌ماند. فرض کنید وزنه سقوط کننده با مخزن در ارتباط باشد. و موقعی که وزنه سقوط می‌کند گرما به مقدار q⁺ به مخزن منتقل می‌شود. میزان انحطاط کیفیت انرژی به مقدار این گرما ربط دارد. اما نمی‌توانیم بسادگی آن را با تغییر آنتروپی مساوی قرار دهیم. این امر بدین علت است که باید دمای مخزن نیز در نظر گرفته شود. این مقدار انرژی مستقیماً به مخزن سردی منتقل شود. انحطاط انرژی به طور کاملتری صورت می‌گیرد تا این که این انرژی به یک منبع گرم منتقل شود در مورد اخیر می‌توان به وسیله ماشین که گرمای q⁺ را از مخزن گرم به سرد جاری کرد کار استخراج کرد. اما اگر این انرژی مستقیماً به منبع سرد منتقل شود استخراج چنین کاری امکان‌پذیر نیست. از این مطلب این نتیجه حاصل می‌شود که با انتقال مقدار معینی گرما به یک مخزن گرم آنتروپی کمتری ایجاد می‌شود تا این که آن مقدار گرما به مخزن سردی داده می‌شود.