熵论

问候,读者Giktayms!

许多人听说过熵之类的神秘事物。通常将其称为混乱的度量,不确定性的度量,并且他们补充说它肯定会增长。我忍受着徒劳地使用名称Entropy的痛苦,并最终决定编写有关此问题的教育计划。

第二次开始


如果将足球扔在地上会怎样?显然,他会跳几次,每次跳到一个越来越小的高度,然后完全停在地面上。如果将金属汤匙放在热茶中会怎样?汤匙会加热,茶会冷却。没什么复杂的,对吧?在每个示例中,过程的方向似乎都是显而易见的:球不能越来越高地弹跳,甚至不能永远弹到相同的高度,茶不能使勺子进一步冷却。从这样的日常证据中得出两个假设(价值相等),每个假设都可以等同地称为热力学第二定律:

- 唯一任何过程组合的结果都不能将热量从温度较低的物体传递到温度较高的物体(克劳修斯假设);

- 参与该过程的最冷的身体的热量不能用作工作来源(汤姆森的假设),即任何工艺组合的唯一结果都不能是将热量转化为功。

难怪这两个陈述被称为假设,它们是公理的,它们无法被证明,仅由它们的后果和所有人类经验所证实。

一切似乎都清楚:热的身体冷却,冷的加热,能量消散。但是另一个难题呢?在500 o C的温度下混合1 mol的氢,氮和氨C在10升反应器中,在催化剂的存在下:
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反应将以哪种方式进行:氨的形成或其分解?嗯...看来我们需要更多方程式。

祖父卡诺的循环


他知道每个工程师在相同的ω-ER效率大于在卡诺循环是无法实现的。
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该循环包括两个等温线和两个绝热线。其效率等于:
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其中,Q n和Q x-从加热器接收并传递给冰箱的热量,T n和T x-加热器和冰箱的温度。

关于周期的消息
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现在让我们开始进行精神体操。让我们有两台具有不同工作流体的热机,它们在卡诺循环上工作。此外,第一个在平衡状态下工作(即在系统处于平衡状态的任何时候,都没有湍流和其他会减少有用功并耗散能量的事物;平衡过程的功总是大于非平衡过程的功)并且是可逆的(即过程可以看到:以相反的方向进行传导,以使它在系统和环境中都保持原样;可逆过程的一个例子是电子吸收和发射相同波长的光子,这是不可逆的-加热人体),但第二步却没有未知。第一辆汽车反向行驶方向即 借助外部环境的工作,它将热量从冰箱转移到加热器;第二个设备照常工作连接了机器的冰箱和加热器并且所执行的功的模数相等
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也就是说,第二台机器执行的功首先用于将热量从冰箱传递到加热器(请记住,人体接收到的热量是正的,提供给环境的热量是负的,人体执行的功是正的,在身体上的完美温度为负;在效率公式中,所有符号都已考虑在内,因此热量取模。

让第二台机器的效率大于第一台机器的效率,然后考虑到(3),我们有:
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因此,在该图的所有变迁和复杂过程中,加热器接收到热量Q n I -Q n II,而冰箱放出热量Q x I -Q x II。这两个值均大于零,并且两台机器的总功等于零。也就是说,除了热量从冰箱转移到加热器这一事实外什么都没有发生再次查看克劳修斯的假设,人们可以冷静下来并说这不会发生。

逻辑上认为条件(4)为假,这意味着它为真:
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如果第二台机器平衡且可逆地工作,则系统将变得对称,即 第一和第二辆车可以倒车,什么都不会改变。显然,等号对应于这种情况。由此可以得出结论,按照卡诺循环运行的机器的效率不取决于工作流体的性质。因此,要建立效率公式,考虑任何特殊情况就足够了。从理想气体的解中获得方程式(1)。还可以得出结论,机器不可逆和不平衡运行的效率(以及功)小于机器可逆和平衡运行的效率。

从等式(1):

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对于卡诺循环,过程的热量与其温度之比的代数和为零。
任何循环过程都可以分为许多无限小的卡诺循环,然后将先前的条件转换为:
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由于任何循环过程而导致的变化等于零的函数称为状态函数。它们的值不取决于过程的路径,而仅取决于最终状态。

系统的状态函数(在平衡过程中其变化等于过程热与温度之比)被称为熵:
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(等号表示平衡过程,大号表示非平衡过程)。

如果系统是隔离的,即它不与环境交换物质或能量,则Q = 0(系统不与环境交换热量),然后:
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或孤立系统的熵在非平衡过程中增加,并且在平衡中保持相同,或者孤立系统的熵不减少。

阿们 我们已经达到了热力学第二定律的提法!
综上所述,不能以任何方式说熵是某种事物的量度,它只是一种函数。她永远没有义务成长,没有人禁止她杀人
一路上,我们解决了痣的问题(是的,我必须回滚,我自己忘了它,毕竟热力学是一件令人兴奋的事情!)。为了确定反应的进行方式,有必要隔离系统并计算过程中的熵变化:它将减少-将不去那里,它将增加-将去那里,并且仍然有平衡的选项来停止和休息。
好吧,关于“熵总是增长”的故事,一切都清楚了:有人没有完成“孤立的系统”,而是加快了将真理传给大众。但是“混乱的措施”呢?我将向您展示另一种方法。

第二个父亲


让我们看一下统计数据。假设我们有N个球,它们可以位于相对于地面的两个不同级别上,第一个级别的容量为N 1,第二个级别为NN 1。这些球可以放置多少种方式?显然,这是没有重复的组合数(在关卡中的放置顺序并不重要,但是每个球都是一个单独的球,被单独考虑,您可以想象它们编号):
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实际上,我们记录了可以实现相同宏观状态的微状态数(特定球在各个级别上的位置)(N 1个球在相对于地面的第一个级别上,N 2个球在第二个相对于地面的级别上)。该数字称为热力学概率。不同于通常的概率,它的不同之处在于它通过忘了划分的总数微观所有的潜在的宏,即如果我们改变N 1并将所有W加上一定数量的水平和N。
让我们从字母转到数字。假设仍然有2个级别,则只有40个球,这些级别已退化(也就是说,无论它们处于哪个级别),并且这些球在它们之间随机移动。 “那里有20个,那里有20个”分布的热力学概率为14.0 * 10 10,“ 19至21”的分布为13.3 * 10 10。也就是说,“ 20到20”的观看和观看机会仅是“ 21到19”的1.053倍,尽管从直觉上我们认为分成两半比优势大得多。那就是赋予生命的定理者所做的!

但是凝视就足够了,回到对话的话题。热力学概率还使我们能够判断过程的路径:如果我们从W可以忽略不计的状态(宏观状态)转变为FWM很大的状态W,那么我们可以自信地说流程将会进行。反之亦然。连接W和S仍然存在。没有什么复杂的,特别是因为Boltzmann为我们做到了:
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其中k是玻尔兹曼常数。

关于方程式的话
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找到这样的联系后,可以肯定地说,随着熵的增加,热力学概率也增加了,也就是说,在微观水平上实现宏观水平上一种选择的选择数量增加了。对于一个状态的执行,有如此之多的选择,有些被称为混乱,但我根本做不到。所有这些“混乱”都受法律和“大随机”的约束,即凯斯先生,这不是混乱。从概率方法的角度来看,我将熵称为系统不变性的量度,我建议您也这样做!

这个词中增加的第五页告诉我,该结束了,尽管我也想谈一谈熵的适用范围,其性质和宇宙的热死亡。但是,现在该睡觉了...

文学作品


1. Gerasimov Ya.I. 等人,“物理化学课程”,第1卷,莫斯科,化学大学,1964年-624页。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN396999/


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