Энтропия

 Существуют общие приемы расчета изменений энтропии при различных процессах, связанных с нагревом, охлаждением, плавлением, испарением, химическими реакциями и т.д. Эти приемы, рецепты расчетов составляют неотъемлемую часть термодинамики, и все они основаны на использовании тех или иных опытных данных.

 

Австрийский физик Л. Больцман дал физическую интерпретацию энтропии и причину ее роста в изолированных системах (так называют системы, имеющие постоянную энергию). Согласно Больцману, энтропия – мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии. Любой беспорядок увеличивает ее. Таким образом, физический смысл возрастания энтропии следующий: будучи предоставленным самому себе, не испытывая внешних воздействий (изолированная система), коллектив частиц стремится перейти в состояние, в котором при данных условиях возможен большой беспорядок. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу.

 Где больше порядка в расположении атомов – в кристаллическом твердом теле, где атомы занимают определенные положения (узлы) в кристаллической решетке, или в жидкости, где определенных, закрепленных за ними положений у атомов нет? Ответ ясен: в твердом теле. Поскольку энтропия – мера беспорядка, то в жидкости она больше, чем в кристалле. Энтропия воды больше энтропии льда. Сравним теперь состояние частиц в водяном паре и в воде. Положения молекул не фиксированы и там, и там. Но при комнатной температуре и атмосферном давлении 1 моль воды (18 г) занимает объем 18 см³ (плотность воды составляет 1 г/см³), а 1 моль водяного пара – 22,4 л, т.е. почти в 1000 раз больше. Где возможен больший беспорядок? Конечно, в паре. И действительно, энтропия пара больше, чем энтропия воды, причем ее изменение при испарении больше, чем при плавлении, почти в 5 раз.

 Критерий максимума энтропии справедлив только для изолированных тел. Если тело обменивается теплом с окружающей средой, то, согласно Д.У. Гиббсу, устойчивому состоянию соответствуют наименьшие значения других термодинамических функций. Именно поэтому ниже температуры плавления устойчиво твердое состояние, между температурами плавления и кипения – жидкое и т.д.

 Для того чтобы вычислить изменение энтропии, достаточно знать отношения вероятностей или относительные вероятности.

 Энтропия тела может уменьшаться. Такое уменьшение не противоречит второму закону термодинамики, поскольку он применим лишь к замкнутым системам: при совместном рассмотрении всех частей системы полное изменение энтропии либо равно нулю, либо положительно. Деятельность человека на Земле приводит к локальному уменьшению энтропии. Холодильники и тепловые насосы способны перекачивать тепло от холодного тела к горячему. Человек может вручную или с помощью машины отделить хорошие орехи от плохих. Жизнь как биологическое явление характеризуется процессами, уменьшающими локальную энтропию. Всюду, где наблюдается локальное возрастание упорядоченности, противостоящее беспорядку, происходит локальное убывание энтропии. Однако полная система, включающая в себя первоисточник энергии – Солнце, характеризуется возрастанием суммарной энтропии.