Главная Войти О сайте

Как определить энтропию

Как определить энтропию

Содержание:
  1. Энтропия: определение и значение
  2. Первоначальное определение энтропии
  3. Статистическое определение энтропии
  4. Энтропия и второе начало термодинамики
  5. Гипотеза тепловой смерти вселенной
  6. Энтропия и мера беспорядка

Энтропия: определение и значение

Энтропия является загадочной физической величиной, которая имеет несколько определений, предложенных разными учеными в разное время. Во множестве задач физики и смежных дисциплин энтропия играет важную роль, поэтому понимание ее значения и способов определения является важным.

Первоначальное определение энтропии

Ученый Рудольф Клаузиус в 1865 году ввел понятие энтропии, назвав ее мерой рассеяния тепла при любых термодинамических процессах. Он предложил точную формулу для определения термодинамической энтропии: ΔS = ΔQ/T. Здесь ΔS - приращение энтропии, ΔQ - количество тепла, переданного или отнятого системой, T - абсолютная температура системы, измеряемая в кельвинах.

Первые два начала термодинамики не определяют абсолютное значение энтропии, а лишь измеряют ее приращение. Третье начало термодинамики указывает, что при приближении температуры к абсолютному нулю энтропия также стремится к нулю. Это дает начальную точку для измерения энтропии, хотя в большинстве реальных экспериментов ученым интересует изменение энтропии в конкретных процессах.

Статистическое определение энтропии

Людвиг Больцман и Макс Планк предложили другое определение энтропии, используя статистический подход. Они пришли к выводу, что энтропия - это мера приближения системы к состоянию с максимальной вероятностью. Состояние с максимальной вероятностью будет тем, которое имеет наибольшее количество вариантов. В классическом эксперименте с бильярдным столом можно увидеть, что наименее вероятным состоянием системы будет то, когда все шары находятся в одной половине стола. Наиболее вероятным состоянием будет равномерное распределение шаров по всей поверхности стола. Следовательно, энтропия системы будет минимальна в первом состоянии и максимальна во втором. Система проводит большую часть времени в состоянии с максимальной энтропией. Формула для определения энтропии по статистическому подходу: S = k*ln(Ω), где k - постоянная Больцмана, Ω - статистический вес состояния системы.

Энтропия и второе начало термодинамики

Термодинамика утверждает, что в любых процессах энтропия системы как минимум не уменьшается, в соответствии со вторым началом термодинамики. Однако, статистический подход говорит о том, что даже самые невероятные состояния могут реализоваться, что означает возможность флюктуаций и уменьшения энтропии системы. Второе начало термодинамики остается справедливым, но лишь при рассмотрении большого промежутка времени.

Гипотеза тепловой смерти вселенной

На основании второго начала термодинамики Рудольф Клаузиус предложил гипотезу тепловой смерти вселенной, согласно которой все виды энергии со временем превратятся в тепловую, которая равномерно распределится по всему пространству, делая жизнь невозможной. Однако, позднее эта гипотеза была опровергнута, так как Клаузиус не учел влияние гравитации, которое делает его картину далеко не наиболее вероятным состоянием вселенной.

Энтропия и мера беспорядка

Иногда энтропию называют мерой беспорядка, так как наиболее вероятное состояние обычно менее структурировано по сравнению с другими. Однако, это понимание не всегда верно. Например, кристалл льда, хотя и более упорядочен, имеет большую энтропию по сравнению с водой.


CompleteRepair.Ru