老问题了,什么是熵?
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发布时间:2024-10-08 20:19
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时间:2024-10-09 08:04
理解熵,首先要从热力学第二定律谈起。日常生活中,功能转化为热,而热无法完全转化为功能。这个现象可以用熵这个物理量来衡量。熵的引入,有助于我们理解无法做功的热量损失。
在物理化学中,通过隔离物体法,即系统的封闭状态,我们可以更清晰地理解熵。熵的存在,体现在一个系统的能量转换过程中,例如小球自由下落后,其动能会逐渐耗散为地面的热能,因此弹起高度逐渐降低,直到最终停止。而逆过程,即小球吸收地面的热量自动弹起,实际上是无法实现的。
科学家通过研究发现,熵可以衡量这部分无法做功的能量损失。熵的概念是在19世纪中叶由Clausius提出,其定义为一个状态量,能够衡量在传热过程中损失的能量。
熵可以通过自由能G来计算,G = H - TS。这里的H表示焓,U + PV,是能做功的部分内能;T是温度;S是熵。自由能的计算方法可以从测量得到,而熵S可以通过量热直接计算。
在18世纪到19世纪中期,科学家们发现,热力学只关心热力学量之间的关系,而物质的状态方程则需要通过实验测量得到。随着热力学和统计力学的发展,我们可以通过热力学和统计力学的相关知识计算熵,例如氮气在特定条件下的标准熵。
在统计力学中,Boltzmann提出了熵的概念,并假设熵正比于系统可能处于的微观状态之和的对数。这个假设经过实验验证后被证实为正确。熵的定义必然具有对数形式,这是通过后续的理论证明得出的结论。
热学和热力学的理论基础,在于“功能100%转化为热,热不能100%转化为功能”这一一般情况。在平衡态的热力学中,我们讨论的是平衡过程,不考虑时间因素。热力学中可逆过程的特点是时间无限长,系统在任意时刻都维持在平衡态,无耗散现象。这样的过程可以在P-V图上画出一条描述平衡过程的曲线,这条曲线上的过程都是可逆的。
然而,日常生活中理想的可逆过程是不存在的,因此,任何热转化为功的过程都会伴随着熵的损失。这就是发电机烫手、电视机烫手等现象的原因。熵的损失不仅体现在热力学循环过程中,也体现在系统做功时的热耗散。
理解熵的关键在于认识到它衡量的是无法做功的能量损失,这是热力学第二定律的核心内容之一。熵的概念及其计算方法,不仅在理论研究中具有重要意义,也广泛应用于工程、物理和化学等领域。