Законы термодинамики и термодинамические величины (функции) системы часть 3

Если первый закон термодинамики называют законом сохранения энергии , то второй — законом изменения энтропии . Теория термодинамики показывает, что изменение энтропии системы равен отношению энергии, передаваемой (изотермически) в форме теплоты q , в абсолютной температуры T , что можно записать уравнением: или. (1) Поэтому размерность энтропии составит L2MT-2 -1, а единица. Для каждого вещества вычислено значение стандартной молярной энтропии в отношении 25 ° С (см. Табл. 13). Из уравнения (1) следует, что в произвольных процессах увеличение поглощения системой энергии при определенной температуре (и снижения последней) приводит к большей неупорядоченности (увеличение энтропии), и наоборот. Это является обязательным признаком всех произвольных процессов. Рассмотрим качественное изменение функции энтропии процесса горения (окисления) биомассы древесины. Система пространственного размещения атомов в древесине определяется високовпорядкованою химической структурой ее основных составляющих (целлюлозы и лигнина).
techmastery.net
При горении древесины (произвольный процесс) происходит деструкция вещества, разъединения атомов, их отделения в форме газа и хаотическое распыление в пространстве одновременно с деградацией концентрированной энергии химической связи атомов в низкоонцентрированных тепловую энергию окружающей среды. Итак, процесс горения древесины сопровождается увеличением суммарной энтропии системы и ее окружающей среды. По живых организмов, экосистем или биосферы Земли в целом, обеспечение внутренней упорядоченности систем в условиях постоянного поглощения энергии вызывает необходимость поддерживать постоянное значение энтропии. Это возможно только при постоянном рассеивания большей части солнечной энергии, которую поглощают растения, или энергии пищи — животными менее концентрированную тепловую. Это происходит в процессе дыхания (окисления). При этом, уменьшая энтропию собственной (внутренней) системы, живые организмы значительно повышают энтропию окружающей среды. По определению Г. Одум (H. Odum) происходит так называемый процесс «откачки неупорядоченности». Рассмотрев первый и второй законы термодинамики (их еще называют основами термодинамики), мы ознакомились с термодинамическими функциями: внутренней энергией, энтальпией и энтропией. Обратим внимание на то, что в отличие от таких функций, как температура, давление, объем, которые можем «видеть» или «чувствовать», энергию и энтропию наши органы чувств не воспринимают. Например, по внешнему виду топлива мы не можем оценить его удельной теплоты сгорания, но это не препятствует широкому использованию этих понятий в науке. Однако следует отметить, что исчерпывающего определения сущности энтропии, то есть второго закона термодинамики, в одной дефиниции не существует. Есть несколько определений этого самого общего закона природы, понимание которого формирует научное мышление и облегчает восприятие широкого круга природных явлений, в том числе и явления получения знаний (информации) человеком в процессе обучения. Приведем несколько формулировок этого закона выдающимися учеными современности. 1. Каждый произвольный процесс (физический или химический) в природе происходит следующим образом, чтобы збильшув алась сумма энтропии всех тел, участвующих в этом процессе (М. Планк). 2. Состояние с максимальной энтропией является устойчивым для изолированной си стемы (Э. Ферми). 3. Получение информации является процессом уменьшения энтропии (Г. Льюис). 4. Невозможна произвольная передача теплоты от холодного тела к более горячему (тривиал ьна истина). 5. Эн тропия — это ука чик напр ямку (стрелка) времени (А. Эд инг тонн). Последнее и первая формулировка закона подсказывают, что произвольные процессы в системе происходят в последовательности, которой соответствует последовательность увеличения энтропии этих процессов. Итак, второй закон термодинамики утверждает, что для любых произвольных процессов полное изменение энтропии, включающий изменение энтропии как самой системы, так и энтропии внешней среды всегда будет больше нуля. Рассмотрим несложный и интересный пример вычисления изменения энтропии при сгорании водорода, которое происходит при экзотермической реакцией, следовательно с уменьшением внутренней энергии. Расчет изменения стандартной молярной энтропии в приведенной химической реакции выполняется по аналогии с расчетом: изменение равна разности между суммарной стандартной энтропией продуктов реакции и исходных реагентов. Значение стандартной энтропии для каждого компонента системы найдем в справочнике (см. Табл. 13) и подставим их в уравнение: Действительно, мы получили неожиданный результат — изменение энтропии горения водорода оказывается отрицательной, то есть энтропия системы не увеличилась! Как это объяснить, учитывая, что энергия системы уменьшилась? Во-первых, анализируя изменение количества вещества (молей) исходной системы (1 моль водорода + 0,5 моля кислорода = 1,5 моля) и образованных продуктов горения (1 моль воды), констатируем уменьшение структурных единиц (молекул) газа, имеющего вызывать и уменьшение неупорядоченности вариантов их размещения в пространстве, то есть уменьшение энтропии системы. И это действительно так. Когда это справедливо, тогда каждый экзотермическая реакция не обязательно должно сопровождаться увеличением энтропии системы, как это имело место в рассматриваемой ранее реакции горения древесины. А не противоречит ли это второму закону термодинамики, с которым мы связывали рост энтропии в произвольных процессах. Не противоречит, и вот почему. Проанализируем два процесса горения — древесины и водорода. Во-первых , в рассмотренных примерах изменение энтропии реакций горения характеризует изменение энтропии реагентов, то есть саму химическую систему, и зависит от увеличения или уменьшения неупорядоченности продуктов реакции по сравнению с исходными реагентами. Полимерная структура взаимного расположения атомов в древесине намного выше упорядоченность, чем атомов в газе, — продукта реакции горения, как раз и определяет повышение энтропии химической системы. В примере горения водорода все наоборот — по сравнению с исходной системой реагентов упорядоченность системы продуктов реакции повысилась (количество молекул уменьшилась), что приводит к уменьшению энтропии. Во-вторых , в рассмотренных примерах горения мы определяли изменение энтропии только систем химических реакций, тогда как второй закон термодинамики является законом полного изменения энтропии (см. приведенное определение М. Планка): Итак, необходимо определить именно полное изменение энтропии. Мы уже рассчитали, а определим, пользуясь уже известным уравнением:. Учитывая, что внешняя среда получит утраченную энергию системы химической реакции (она экзотермической), запишем:. Поскольку для одного моля водорода реакции рассматриваемого является тождественна стандартной молярной энтальпии сгорания водорода, которое мы найдем в табл. 14, то можем записать уравнение полной энтропии: где при стандартных условиях расчета. Подставив числовые значения, получим: