Entropi (termodinamika klasik)

Dari Wikipedia, ensiklopedia bebas

Entropi adalah properti dari sistem Thermodynamical. Sebuah sistem termodinamika

adalah setiap objek fisik atau daerah ruang yang dapat dijelaskan oleh jumlah

termodinamika nya seperti suhu , tekanan , Volume , dan kepadatan .

Konsep entropi dikembangkan oleh Rudolf Clausius . Clausius memberinya nama

"entropi", dari kata Yunani τρoπή, "transformasi". Ini tidak membuat referensi dengan

sifat mikroskopik dari materi. Pada 1870-an Ludwig Boltzmann dijelaskan entropi

sebagai ukuran jumlah konfigurasi mikroskopis mungkin Ω dari atom dan molekul

individu dari sistem (microstates) sesuai dengan keadaan makroskopik (macrostate)

dari sistem. Boltzmann kemudian melanjutkan untuk menunjukkan

bahwa k ln Ω adalah sama dengan entropi termodinamika. K faktor sejak itu dikenal

sebagai konstanta Boltzmann .

Artikel ini berkaitan dengan definisi termodinamika entropi. Meskipun entropi

termodinamika adalah subjek yang mandiri, harus dipahami secara paralel dengan

definisi statistik. Ketika definisi termodinamika menjadi yang paling sulit dimengerti,

definisi statistik membawa penjelasan sederhana, dan di mana hubungan antara

teori statistik dan percobaan menjadi diperpanjang, teori termodinamika memberikan

jawaban langsung.

Pendahuluan

Dalam sistem termodinamika tekanan perbedaan, perbedaan kepadatan, dan

perbedaan suhu semua cenderung untuk menyamakan waktu ke waktu. Misalnya,

mengambil ruang di dalamnya dengan segelas es mencair sebagai satu

sistem. Perbedaan suhu antara ruang hangat dan segelas air dingin dan es

menyamakan kedudukan sebagai panas dari ruangan tersebut dipindahkan ke es

dingin dan campuran air. Seiring waktu suhu kaca dan isinya dan suhu ruangan

mencapai keseimbangan. Entropi dari ruangan mengalami penurunan. Namun,

entropi dari kaca dengan es dan air telah meningkat lebih dari entropi dari ruangan

mengalami penurunan. Dalam sebuah sistem yang terisolasi seperti ruang dan air es

yang diambil bersama, penyebaran energi dari hangat ke daerah dingin selalu

menghasilkan kenaikan bersih entropi. Jadi, ketika sistem dari sistem air kamar dan

es telah mencapai kesetimbangan suhu, perubahan entropi dari keadaan awal

berada pada maksimum. Entropi dari sistem termodinamika adalah ukuran dari

seberapa jauh pemerataan itu telah berkembang.

Ada proses ireversibel banyak yang menghasilkan peningkatan

entropi. Lihat: produksi Entropi . Salah satunya adalah pencampuran dari dua atau

lebih zat yang berbeda. Pencampuran disertai dengan entropi pencampuran . Jika

zat awalnya berada pada suhu yang sama dan tekanan, tidak akan ada pertukaran

bersih panas atau bekerja di kasus-kasus penting, seperti pencampuran gas

ideal. Peningkatan entropi akan sepenuhnya karena pencampuran dari zat yang

berbeda. [1]

Dari perspektif makroskopik, dalam termodinamika klasik , entropi adalah fungsi

keadaan dari suatu sistem termodinamika : yaitu, properti tergantung hanya pada

keadaan saat ini dari sistem, tergantung bagaimana negara yang kemudian

dicapai. Entropi adalah bahan utama dari hukum kedua termodinamika , yang

memiliki konsekuensi penting misalnya untuk kinerja mesin panas, lemari es, dan

pompa panas.

Definisi

Menurut persamaan Clausius , untuk sistem homogen tertutup, di mana hanya

proses reversibel terjadi,

Itu berarti garis integral   adalah jalur independen.

Jadi kita dapat mendefinisikan fungsi negara S, yang disebut entropi, yang

memenuhi

Entropi pengukuran

Untuk mempermudah, kita meneliti sistem tertutup seragam, yang termodinamika

negara ditentukan oleh suhu T dan tekanan P. Perubahan entropi dapat ditulis

sebagai

Kontribusi pertama tergantung pada kapasitas panas pada tekanan

konstan C P melalui

Ini adalah hasil dari definisi kapasitas panas dengan δ Q = C P d T dan T d S =

δ Q. Untuk menulis ulang masa jabatan kedua kita menggunakan salah

satu hubungan Maxwell

dan definisi dari koefisien termal ekspansi volume-

sehingga

Dengan ungkapan ini S entropi pada P dan T sewenang-wenang dapat

berhubungan dengan 0 entropi S di beberapa negara acuan pada P dan T 0

0 menurut

Dalam termodinamika klasik entropi dari negara referensi dapat diletakkan sama

dengan nol pada setiap suhu yang nyaman dan tekanan. Misalnya, untuk zat murni,

seseorang dapat mengambil entropi zat padat pada titik lebur pada 1 bar sama

dengan nol. Dari sudut yang lebih mendasar pandang, hukum ketiga

termodinamika menunjukkan bahwa ada preferensi untuk mengambil S = 0 pada t =

0 ( nol mutlak ) untuk bahan sempurna teratur seperti kristal.

Untuk menentukan S (P, T) kami mengikuti jalur tertentu dalam diagram PT: pertama

kita terpadu selama T pada tekanan konstan P 0, sehingga d P = 0, dan dalam

integral kedua kami lebih terintegrasi P pada suhu konstan T, sehingga d T =

0. Sebagai entropi adalah fungsi dari negara hasilnya adalah independen dari jalan.

Hubungan di atas menunjukkan bahwa penentuan entropi membutuhkan

pengetahuan tentang kapasitas panas dan persamaan negara (yang merupakan

hubungan antara P, V, dan T dari substansi yang terlibat). Biasanya ini adalah fungsi

rumit dan integrasi numerik diperlukan. Dalam kasus sederhana adalah mungkin

untuk mendapatkan ekspresi analitis untuk entropi. Misalnya, dalam kasus gas ideal,

kapasitas panas konstan dan hukum yang ideal gas PV = nRT memberikan

yang α V V = V / T = nR / p, dengan n jumlah mol dan R molar yang ideal- konstan

gas. Jadi, entropi molar gas ideal diberikan oleh

Dalam ekspresi ini C P sekarang adalah kapasitas panas molar.

Entropi sistem homogen adalah jumlah dari entropi dari berbagai subsistem. Hukum

termodinamika memegang ketat untuk sistem homogen meskipun mereka mungkin

jauh dari keseimbangan internal. Satu-satunya syarat adalah bahwa parameter

termodinamika subsistem menulis adalah (cukup) didefinisikan dengan baik.

Perubahan Entropi dalam transformasi ireversibel

Kita sekarang mempertimbangkan sistem homogen di mana transformasi internal

(proses) dapat terjadi. Jika kita menghitung entropi S 1 S 2 sebelum dan setelah

seperti proses internal Hukum Kedua Termodinamika menuntut

bahwaS 2 S ≥ 1 dimana tanda kesetaraan berlaku jika proses ini

reversibel. Perbedaan S i = S 2 - S 1 adalah produksi entropi karena proses

ireversibel. Hukum Kedua menuntut bahwa entropi dari sebuah sistem yang

terisolasi tidak dapat menurun. Produksi entropi selalu positif.

Misalkan suatu sistem termal dan mekanis terisolasi dari lingkungan (sistem yang

terisolasi). Sebagai contoh, pertimbangkan sebuah kotak kaku isolasi dibagi dengan

partisi bergerak menjadi dua jilid, masing-masing diisi dengan gas. Jika tekanan dari

satu gas yang lebih tinggi, akan mengembang dengan memindahkan partisi, dengan

demikian melakukan pekerjaan pada gas lainnya. Juga, jika gas berada pada

temperatur yang berbeda, panas dapat mengalir dari satu gas yang lain disediakan

partisi memungkinkan konduksi panas. Hasil di atas kami menunjukkan bahwa

entropi dari sistem secara keseluruhan akan meningkat selama proses ini. Ada ada

jumlah maksimum entropi sistem dapat memiliki dalam situasi. Entropi ini sesuai

dengan keadaan kesetimbangan stabil, karena transformasi ke keadaan setimbang

lain akan menyebabkan entropi menurun, yang dilarang. Setelah sistem mencapai

keadaan maksimum entropi, tidak ada bagian dari sistem dapat melakukan

pekerjaan pada bagian lain. Hal ini dalam pengertian ini bahwa entropi adalah

ukuran dari energi dalam suatu sistem yang tidak dapat digunakan untuk melakukan

kerja.

Sebuah proses ireversibel menurunkan kinerja suatu sistem termodinamika, yang

dirancang untuk melakukan pekerjaan atau menghasilkan pendinginan, dan hasil

dalam produksi entropi .Generasi entropi selama proses reversibel adalah

nol. Dengan demikian produksi entropi adalah ukuran ireversibilitas dan dapat

digunakan untuk membandingkan proses rekayasa dan mesin.

mesin Termal

Identifikasi Clausius 'S sebagai kuantitas yang signifikan didorong oleh studi tentang

transformasi termodinamika reversibel dan ireversibel.Sebuah mesin panas adalah

sistem termodinamika yang dapat mengalami urutan transformasi yang akhirnya

kembali ke keadaan semula. Seperti berurutan disebut proses siklus , atau

hanya siklus. Selama beberapa transformasi, mesin dapat bertukar energi dengan

lingkungannya. Hasil bersih dari siklus adalah

1. mekanik pekerjaan dilakukan oleh sistem (yang dapat positif atau negatif , arti

yang kedua bahwa pekerjaan yang dilakukan padamesin),

2. panas yang ditransfer dari satu bagian dari lingkungan yang lain. Dalam

kondisi mapan, dengan kekekalan energi , energi bersih hilang oleh

lingkungan sama dengan kerja yang dilakukan oleh mesin.

Jika setiap transformasi dalam siklus reversibel, siklus reversibel, dan dapat

dijalankan secara terbalik, sehingga transfer panas terjadi di arah yang berlawanan

dan jumlah tanda kerja switch dilakukan.

Mesin Panas

Pertimbangkan mesin panas kerja antara dua temperatur T H dan T. Dengan T kita

memiliki suhu lingkungan dalam pikiran, tetapi, pada prinsipnya juga mungkin ada

beberapa suhu rendah lainnya. Mesin panas adalah dalam kontak termal dengan

dua reservoir panas yang seharusnya memiliki kapasitas panas yang sangat besar

sehingga suhu mereka tidak berubah secara signifikan jika panas Q H dihapus dari

reservoir panas dan Q ditambahkan ke reservoir lebih rendah. Dalam operasi yang

normal T H> T dan Q H, Q, dan W adalah semua positif.

Sebagai sistem Thermodynamical kami, kami mengambil sistem besar yang meliputi

mesin dan dua reservoir. Hal ini ditunjukkan dalam Gbr.3 oleh kotak bertitik. Ini

adalah homogen, tertutup (tidak ada pertukaran materi dengan lingkungannya), dan

adiabatik (tidak ada pertukaran panas dengan lingkungannya). Hal ini tidak terisolasi

karena per siklus sejumlah kerja W yang dihasilkan oleh sistem yang diberikan

oleh hukum pertama termodinamika

Kami menggunakan fakta bahwa mesin itu sendiri adalah periodik, sehingga energi

internal tidak berubah setelah satu siklus. Hal yang sama berlaku untuk entropi,

sehingga peningkatan entropi S 2 - S 1 dari sistem kami setelah satu siklus diberikan

oleh pengurangan entropi dari sumber panas dan peningkatan wastafel

dingin. Peningkatan entropi total sistem S 2 - S 1 adalah sama dengan produksi

entropi S i karena proses ireversibel pada mesin sehingga

Hukum Kedua menuntut bahwa S i ≥ 0. Menghilangkan Q dari dua relasi memberikan

Istilah pertama adalah pekerjaan yang paling maksimum untuk mesin panas, yang

diberikan oleh mesin reversibel, sebagai salah satu operasi sepanjang siklus

Carnot . Akhirnya

Persamaan ini menyatakan bahwa produksi kerja berkurang oleh generasi

entropi. T jangka S i memberikan kerja yang hilang, atau energi hilang, oleh mesin.

Sejalan dengan itu, jumlah panas, dibuang ke wastafel dingin, meningkat dengan

generasi entropi

Hubungan ini penting juga dapat diperoleh tanpa dimasukkannya reservoir

panas. Lihat Artikel tentang produksi entropi .

Kulkas

Prinsip yang sama dapat diterapkan pada lemari es bekerja antara

temperatur T rendah L dan suhu lingkungan. Gambar skematis adalah persis sama

dengan Gbr.3 dengan T H digantikan oleh TL, Q H oleh Q L, dan

tanda W terbalik. Dalam hal ini produksi entropi adalah

dan pekerjaan, yang dibutuhkan untuk mengekstrak panas L T dari sumber dingin,

adalah

Istilah pertama adalah kerja minimum yang diperlukan, yang sesuai dengan lemari

es reversibel, jadi kita harus

yaitu, kompresor kulkas harus melakukan pekerjaan ekstra untuk mengimbangi

energi yang hilang akibat proses ireversibel yang menyebabkan produksi entropi .