Что такое энтропия?

Что такое энтропия?

Энтропия – состояние, но не физическое свойство, подобное давлению, температуре или массе. Никакими датчиками невозможно обнаружить энтропию. Это состояние можно лишь просчитать, используя свойства веществ, поддающиеся измерению. Полученные таким способом значения энтропии могут использоваться в других расчетах. Например, связанных с производством пара или электроэнергии, добываемых посредством турбин и машин возвратно-поступательного движения.

Энтропия – состояние текущего времени

Энтропия в какой-то мере является показателем качества, недостатка или достатка энергии. В частности, энтропия показывает, насколько эффективно энергия распространяется от высокотемпературного источника с охватом области, где более низкий уровень температуры.

Этот эффект распространения заставил исследовательские круги охарактеризовать энтропию «стрелкой времени». Если энтропия системы вычисляется при двух разных условиях, тогда условие, при котором энтропия увеличивается, происходит в более позднее время. Увеличение энтропии в системе в целом, всегда проходит в том же направлении, что и течение времени.

Химический эффект энтропии
Обобщённое представление процесса с химической точки зрения: 1 — кристаллическое твёрдое вещество; 2 — жидкое состояние; 3 — газообразное состояние; 4 — возрастающая энтропия

Подобные явления непроизвольно напрашиваются на философскую тему. Однако эти явления не дают помощи для вычислений фактических значений.

Поэтому практическим подходом считают определение энтропии как энергии, которая добавляется в систему или удаляется из системы. Это значение энергии делят на среднюю абсолютную температуру, относительно которой происходит изменение.

Примеры для лучшего понятия

Чтобы лучше понять, как энтропия проявляется на практике, логично рассмотреть простой термодинамический процесс с чайной чашкой, которая была заполнена некоторым количеством воды из чайника, только что снятого с плиты.

Наполненная водой чашка содержит 200 кДж тепловой энергии при 100°C (373ºK). При этом температура воздуха, окружающего заполненную кипятком ёмкость, составляет 20°C. Количество тепла, что останется в конце процесса, составит 40 кДж.

Эффект распространения энтропии
Эффект транспорта теплообмена с передачей от теплого к холодному: Т1 — среда с более высокой температурой; Т2 — среда с более низкой температурой; Q — тепло; Т — температура

Согласно второму закону термодинамики, тепло всегда перетекает от горячего тела к более холодному. Для взятого примера, если ёмкость с водой простоит некоторое время, жидкость охладится до той же температуры, что имеет окружающий воздух. Каковы же будут изменения значений энтропии для общего процесса?

Расчёты энтропии для ёмкости с водой

Начальная энтальпия (теплосодержание) чайной чашки = 200 кДж.

Начальная температура воды = 100ºС.

Конечная температура источника тепла = 20ºС.

Средняя абсолютная температура наполненной чаши: Тср = 100 + 20 / 2 = 60ºС (333ºК).

Конечная энтальпия содержимого составит 40 кДж.

Расчёт энтальпии, передаваемой нагретой ёмкостью окружающей среде: 200 – 40 = 160 кДж.

Отсюда энтропия, передаваемая источником тепла окружающей среде, может быть вычислена как значение изменения энтальпии, разделённое на среднюю абсолютную температуру (Тср) в градусах Кельвина: 160 / 333 = — 0,48 кДж/К.

Поскольку имеют место потери тепла в источнике, соответственно изменение энтропии проходит отрицательным значением.

Расчёты энтропии для окружающего воздуха

Начальная температура окружающего воздуха = 20ºС.

В конце процесса теплообмена вода чайной чашки потеряет 160 кДж тепла, тогда как окружающий воздух получит эти 160 кДж. Однако по причине значительного объёма окружающего воздуха, температура атмосферы изменится незначительно.

Энтальпия (теплосодержание), передаваемая водой окружающей среде, имеет в этом эксперименте значение 160 кДж.

Средняя абсолютная температура (Тср) составляет 20ºС или 293ºК.

Отсюда несложно сделать расчёт энтропии окружающего воздуха: 160 / 293 = 0,546 кДж.

Поскольку здесь отмечается восприятие тепла окружающим воздухом, соответственно изменение энтропии имеет положительную тенденцию. Опираясь на этот пример, можно представлять производственные процессы.

В производственном теплообменнике, где, к примеру, используется насыщенный пар на первичной стороне при нагреве воды от 20°C до 60°C, на вторичной стороне пар будет конденсироваться, утрачивая собственное тепло.

Этот процесс наглядно показывает I-s диаграмма зависимости от Рихарда Молье, где точка состояния пара перемещается влево от её начального положения.

Будучи в условиях устойчивого состояния, сухой насыщенный пар конденсируется при постоянном давлении, а точка состояния пара движется вниз по линии постоянного давления.

Энтропия по диаграмме Мюллера
Диаграмма Рихарда Молье — полученная немецким тепло-техником из города Дрезден (Германия). Впервые эта диаграмма использовалась для расчётов в 1904 году

Конечно, простым примером с водой в чашке, отдаваемой тепло окружающей среде, невозможно показать все тонкости эффекта энтропии. Тем не менее, этот пример вполне доходчиво разъясняет само понятие.

Всё остальное воспринимается полным циклом уже непосредственно на практике, когда приходится сталкиваться с термодинамическими процессами, протекающими в разных условиях.

Физические величины в помощь к расчётам

Таблица: Относительная плотность и удельная теплоемкость некоторых твердых материалов

Материал Относительная плотность Теплоёмкость, кг/ кДж ºС
Алюминий 2,55 – 2,80 0,92
Андалузит 0,71
Антимоний 0,20
Апатит 0,83
Асбест 2,10 – 2,80 0,83
Авгит 0,79
Бакелит (древесный) 1,38
Бакелит (асбестовый)  1,59
Барит 4,50 0,46
Барий 3,50 2,93
Базальт 2,70 – 3,20 0,83
Берилл 0,83
Бура 1,70 – 1,80 1,0
Бор 2,32 1,29
Висмут 9,80 0,12
Кадмий 8,65 0,25
Кальцит (0-37ºС) 0,79
Кальцит (0-100ºС) 0,83
Кальций 4,58 0,62
Карбон 1,80 – 2,100 0,71
Карбид кремния 0,66
Касситерит 0,37
Цемент застывший 1,54
Цемент порошок 0,84
Древесный уголь 1,0
Халькопирит 0,54
Хром 7,10 0,50
Глина 1,80 – 2,60 0,92
Уголь каменный 0,64 – 0,93 1,08 – 1,54
Кобальт 8,90 0,46
Бетон застывший 0,79
Бетон обожжённый 0,75
Медь 8,80 – 8,95 0,37

Таблица: Удельная теплоемкость газов и паров

Газ или пар Теплоёмкость, кДж/кг ºС
Ацетон 1,31
Воздух, 0ºС 1,00
—          100ºС 1,01
—          200ºС 1,03
—          300ºС 1,05
—          400ºС 1,07
—          500ºС 1,09
Спирт С2H5OH 1,66
—         CH3OH 1,53
Аммоний 1,76
Аргон 0,30
Бензол C6H6 0,98
Бром 0,19
Углекислый газ 0,62
Угарный газ 0,71
Дисульфит углерода 0,55
Хлор 3,43
Хлороформ 0,54
Эфир 1,95
Соляная кислота 0,56
Водород 10,00
Сульфит водорода 0,79
Метан 1,86
Азот 0,71
Оксид азота 0,69
Тетраоксид азота 4,59
Кислород 0,65
Диоксид серы 0,49
Пар насыщенный 0,5 АТИ 1,99
—  2 АТИ 2,13
—  10 АТИ 2,56
Пар 0,5 АТИ 150ºС 1,95
Пар    2 АТИ 200ºС 2,01
Пар    10 АТИ 250ºС 2,21

Открытия молодости и беспорядок Вселенной


Некоторые материалы взяты на: Pointing.spiraxsarco


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *