Entropiya va tartibsizlik

Termodinamik entropiya $S$, koʻpincha oddiygina entropiya deb ataladi, asosiy termodinamik miqdorlardan biri boʻlgan termodinamik tizimni tavsiflash uchun ishlatiladigan fizik miqdor; entropiya va temperatura tizimning issiqlik xossalarini va undagi issiqlik jarayonlarini tavsiflash uchun zarur boʻlgan konjugat termodinamik miqdorlardir. Entropiya holat funktsiyasi boʻlib, termodinamikada keng qoʻllanadi, shu jumladan texnikda va kimyo sanoatida.

Entropiyaning mavjudligi va uning xususiyatlarini sanab oʻtish haqidagi maʼlumot termodinamikaning ikkinchi va uchinchi qonunlarini mazmunini tashkil etadi. Tizimning issiqlik holati haqidagi ahamiyatli gʻoyalar " issiqroq ", " sovuqroq ", " isitish ", " sovutish ", „isitish darajasi“ tushunchalari bilan ifodalangan issiqlik hodisalari bilan bogʻliqdir. Issiqlik hodisalariga moddaning qizdirilganda yoki sovutilganda harakatini tavsiflovchi xususiyatlar kiradi: issiqlik koeffitsientlari, issiqlik sigʻimi va boshqa kaloriya koeffitsientlari, Kyuri doimiysi, issiqlikka chidamlilik koʻrsatkichlari, yongʻinga chidamlilik chegaralari va boshqalar. Issiqlik hodisalariga misollar issiqlik kengayishi, piroelektrik, elektrokaloriya effekti, issiqlik oʻtkazuvchanligi, agregatsiya holatining oʻzgarishi — kristallanish va muzlash, erish, bugʻlanish, qaynatish, sublimatsiya, kondensatsiya va boshqa jarayonlar.

Tarixiy maʼlumotnoma

Entropiya tushunchasi, uning belgilanishi va nomi R. Klauzius tomonidan kiritilgan. Ushbu kontseptsiyaning mavhumligi termodinamikaning asoslaridan biri boʻlib, termodinamik miqdor sifatida entropiya mavjudligini asoslash uchun ilmiy qarashlarning turli xilligi termodinamika aksiomatikasini paydo boʻlishiga olib keldi.

Entropiyaning termodinamik taʼrifi

Termodinamikada entropiya kiritilib, uning mavjudligini asoslaydi va uning xususiyatlari sanab beradi, termodinamikaning birinchi, ikkinchi va uchinchi qonunlari asosida uning oʻlchov shkalasini yaratadi.

Klauzius va Karateodor termodinamik formalizmlarida entropiya absolut termodinamik harorat bilan bir vaqtda kiritiladi. Gibbs termodinamikasining matematik ifodasi mustaqil termodinamik oʻzgaruvchi sifatida entropiyadan foydalanishga asoslangan boʻlsa, bu rolga tabiiy nomzod boʻlgan harorat esa ichki energiya va entropiya funksiyasi sifatida kiritilgan. Vanihoyat, ratsional termodinamikada entropiya nazariyaning asosiy aniqlanmagan oʻzgaruvchilari ichki energiya va harorat koʻrinishida ifoda etiladi.

Oddiy tizimning entropiyasi

Termodinamikaning birinchi qonuni ichki energiya, ish va issiqlik oʻrtasidagi bogʻliqlikni oʻrnatadi: bu fizik miqdorlardan biri qolgan ikkitasining yordami bilan aniqlanadi, ular nazariyaning boshlangʻich ob’ekti boʻlib, ular doirasida aniqlab boʻlmaydi. Bu nazariyaning oʻzi shunchaki umumiy tushunchalar mavjud emas, chunki ularni umumlashtirish mumkin edi. Termodinamika energiya va ish tushunchalarini fizikaning boshqa sohalaridan oladi, issiqlik miqdorining taʼrifi esa, aksincha, faqat va aniq termodinamikada berilgan. Klauziusning fikricha: issiqlik $Q$ ichki energiya $U$ nuqtai nazaridan aniqlanadi va ish $W$. Klauzius formulasida termodinamikaning birinchi qonunining matematik ifodasi:

$Q\equiv \Delta U-W.$

Ushbu formuladagi birinchi qonun issiqlikni jarayonning fizik xarakteristikasi sifatida kiritadi, uning harakati energiyaning saqlanish qonuni bilan belgilanadi. Muvozanat jarayoni uchun issiqlik taʼrifini batafsil bayon qilish uchun ish va shuning uchun issiqlik holat oʻzgaruvchilari bilan ifodalanishi mumkin. Oddiy tizimda cheksiz kichik muvozanat jarayoni uchun ishning yagona mumkin boʻlgan turi — kengaytirish/siqish ishi. $W_{v}$ :

$\delta W_{v}=-PdV.$

Bu yerda $P$ — bosim, $V$ — hajm, $\delta$ mos keladigan miqdor cheksiz kichik jarayonga tegishli ekanligini bildiradi. Shunday qilib, Klauzius formulasida termodinamikaning birinchi qonuni uchun quyidagicha ifodaga ega boʻlamiz:

$\delta Q=dU+PdV,$

Bu yerda $\delta Q$ jarayonning elementar (cheksiz kichik) issiqligidir.

Elementar issiqlikni matematik ob’ekt sifatida belgilaydigan bu ifoda ikkita mustaqil oʻzgaruvchi uchun chiziqli differentsial shakldir. Berilgan differentsial shakli uchun Eyler integrallash sharti bajarilmaydi, yaʼni $\delta Q$ funksional bo‘lib, mavjud bo‘lmagan funksiyaning to‘liq differentsiali emas $Q(U,V)$. Differensial tenglamalar nazariyasidan maʼlumki Frobenius sharti bajarilsa, u holda differinsial shakli integrallashtiruvchi boʻluvchiga ega boʻlib, bu shaklni umumiy differentsialga aylantiradi va bir xil mustaqil funktsiya boʻladi. Shuning uchun oddiy muvozanat tizimlari uchun holat funktsiyasi mavjud $S(U,V)$:Andoza:EF$dS~\equiv ~{\frac {\delta Q}{T}}~=~{\frac {1}{T}}dU~+~{\frac {P}{T}}dV,$

Entropiya va tartibsizlik.

Agar mexanik energiya issiqlik energiyasiga aylansa, unda shu jism molekulalarining tartibli harakati ularning betartib harakatiga aylanadi. Mexanik harakatda molekulalari tartibli harakatda, issiqlik harakatda esa betoʻxtov xaotik harakatda boʻladi. Demak, entropiya bilan tartibsizlik orasida bogʻlanish bor. Katta tartibsizlik bilan xarakterlanadigan harakat tartiblashganroq holatga nisbatan katta termodinamik ehtimolga ega. (Tartibsiz harakatni tartibli harakatga keltirish qiyin). Shuning uchun issiqlik jarayonlari qaytmas jarayonlardir. Bu esa tartib va tartibsizlikning qaytmasligidir.

1)     Shunday qilib, energiya, (keltirilgan issiqlikni belgilovchi) holat funksiyasidir. S~Q/T;

2)     0-holatga nisbatan energiyasi  bilan qaytar jarayon hosil boʻladi.

3)     Berk sistema uchun qaytuvchi jarayonda .

4)     Qaytmas jarayonlarda berk sistemaning entropiyasi ortadi.

5)     Entropiyaning max qiymati sistemaning muvozanat holatiga toʻgʻri keladi.

6)     Entropiya holatning termodinamik ehtimolligi bilan bogʻlangan:

7)     Entropiya sistemaning tartibsizlik oʻlchovidir.

Sistemaning entropiyasi ortishi bilan undagi issiqlikni mexanik energiyaga aylantirish qiyinlashadi. Entropiya max boʻlgandagina muvozanat holatdagi sistemaning energiyasini ishga aylantirish mumkin emas.