熵在热力学中的所有应用

栏目:古籍资讯发布:2023-08-05浏览:1收藏

熵在热力学中的所有应用,第1张

熵在热力学中是表征物质状态的参量之一,通常用符号S表示。在经典热力学中,可用增量定义为dS=(dQ/T),式中T为物质的热力学温度;dQ为熵增过程中加入物质的热量。下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。若过程是不可逆的,则dS>(dQ/T)不可逆。从微观上说,熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度,系统越无序、越混乱,熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序,从概率较小的状态趋于概率较大的状态。 单位质量物质的熵称为比熵,记为s。熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。 热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律,有下述表述方式: ①热量总是从高温物体传到低温物体,不可能作相反的传递而不引起其他的变化; ②功可以全部转化为热,但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功(即无法制造第二类永动机); ③在孤立系统中,实际发生的过程总使整个系统的熵值增大,此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热,使熵增加。热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体,高温物体的熵减少dS1=dQ/T1,低温物体的熵增加dS2=dQ/T2,把两个物体合起来当成一个系统来看,熵的变化是dS=dS2+dS1>0,即熵是增加的。 物理学家玻尔兹曼将熵定义为一种特殊状态的概率:原子聚集方式的数量。可精确表示为: S=KlogW K是比例常数,现在称为玻尔兹曼常数。

1、经典热力学

1865年,克劳休斯将发现的新的状态函数命名为,用增量定义为  ,式中T为物质的热力学温度;dQ为熵增过程中加入物质的热量,下标“r”是英文单词“reversible‘’的缩写,表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。

若过程是不可逆的,则  ,下标“ir”是英文单词“ireversible‘’的缩写,表示表示加热过程所引起的变化过程是不可逆的。

合并以上两式可得  ,此式叫做克劳休斯不等式,是热力学中第二定律最普遍的表达式。

2、统计热力学

熵的大小与体系的微观状态Ω有关,即S=klnΩ,其中k为玻尔兹曼常量,k=13807x10-23J·K-1。体系微观状态Ω是大量质点的体系经统计规律而得到的热力学概率,因此熵有统计意义,对只有几个、几十或几百分子的体系就无所谓熵。

扩展资料:

一、性质

1、状态函数

熵S是状态函数,具有加和(容量)性质,是广度量非守恒量,因为其定义式中的热量与物质的量成正比,但确定的状态有确定量。其变化量ΔS只决定于体系的始终态而与过程可逆与否无关。

由于体系熵的变化值等于可逆过程热温商δQ/T之和,所以只能通过可逆过程求的体系的熵变。孤立体系的可逆变化或绝热可逆变化过程ΔS=0。

2、宏观量

熵是宏观量,是构成体系的大量微观离子集体表现出来的性质。它包括分子的平动、振动、转动、电子运动及核自旋运动所贡献的熵,谈论个别微观粒子的熵无意义。

3、绝对值

熵的绝对值不能由热力学第二定律确定。可根据量热数据由第三定律确定熵的绝对值,叫规定熵或量热法。还可由分子的微观结构数据用统计热力学的方法计算出熵的绝对值,叫统计熵或光谱熵。

二、应用

熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。

热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律:在孤立系统中,体系与环境没有能量交换,体系总是自发地像混乱度增大的方向变化,总使整个系统的熵值增大,此即熵增原理。

摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热,使熵增加,所以说整个宇宙可以看作一个孤立系统,是朝着熵增加的方向演变的。

从一个自发进行的过程来考察:热量Q 由高温(T1)物体传至低温(T2)物体,高温物体的熵减少dS1=dQ/T1,低温物体的熵增加dS2=dQ/T2,把两个物体合起来当成一个系统来看,熵的变化是dS=dS2-dS1>0,即熵是增加的。

参考资料:

-熵

熵(entropy)指的是体系的混乱的程度

定义是:dS=dQR/T

1.混乱度和微观状态数  

决定反应方向主要有两个因素:[1]

(1)反应热效应。放热反应使体系的能量下降

(2)混乱度。一些吸热反应在一定温度下也可进行 特点是反应体系的混乱度变大。体系的微观状态数越多,体系的混乱度越大,微观状态数可以定量地表明体系的混乱度。

2.状态函数  

熵:描述体系混乱度的状态函数叫做熵,用S表示。体系的状态一定,其微观状态数一定,如果用状态函数来表示混乱度的话,状态函数与与微观状态数Ω存在下列关系S=klnΩ,其中k=138×10-23J/K叫波尔兹曼常数。熵是一种具有加和性的状态函数,体系的熵值越大则微观状态数Ω的越大,即混乱度越大,因此可以认为化学反应趋向于熵值增加,即趋向于∆rS>0。过程的始终态一定,状态函数S的改变量∆S的值是一定的,过程中的热量变化是和途径有关的量,若以可逆方式完成这一过程时,热量用Qr表示,则∆S=Qr/T 。

应用:

熵在热力学中是表征物质状态的参量之一,通常用符号S表示。在经典热力学中,可

用增量定义为dS=(dQ/T),式中T为物质的热力学温度;dQ为熵增过程中加入物质的热量。下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。若过程是不可逆的,则dS>(dQ/T)不可逆。从微观上说,熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度,系统越无序、越混乱,熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序,从概率较小的状态趋于概率较大的状态。

单位质量物质的熵称为比熵,记为s。熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。

热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律,有下述表述方式:

①热量总是从高温物体传到低温物体,不可能作相反的传递而不引起其他的变化;

②功可以全部转化为热,但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功,而不产生其他任何影响(即无法制造第二类永动机);

③在孤立系统中,实际发生的过程总使整个系统的熵值增大,此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热,使熵增加。热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体,高温物体的熵减少dS1=dQ/T1,低温物体的熵增加dS2=dQ/T2,把两个物体合起来当成一个系统来看,熵的变化是dS=dS2+dS1>0,即熵是增加的。

物理学家玻尔兹曼将熵定义为一种特殊状态的概率:原子聚集方式的数量。可精确表示为:

S=K㏑W

K是比例常数,现在称为玻尔兹曼常数。

焓是一个热力学系统中的能量参数。焓是内能和体积的勒让德变换。它是SpN总合的热势能。

焓的定义式为:H=U+PV

即一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和,但要注意这里压力与体积的乘积PV不是体积功。 

系统的状态一定,则系统的U,P,V均确定,系统的H也就确定,故焓H是状态函数,其单位为J。因为一定状态下系统的热力学能不知道,所以状态下的焓也不知道。U是广度量,PV是广度量,由:H=U+PV可知焓是广度量,但摩尔焓Hm=H/n和质量焓(比焓)h=H/m均是强度量,两者的单位分别为J mol-1和J kg-1 。

对于常压下,焓的定义式子又可以写成:Q=ΔU+pΔV

所以常压下焓的变化量就是热量的变化。

熵的理解有很多种,以信息熵为例,就是指可以表达一个信息所需要的用的“符号”数量比如,表达一只狗,用中文为1个字,用应为为dog,三个字符,而一个汉字如果转化为计算机的二进制语言则需要两个字符16位,英文为24位这就是不同表示方式导致不同的信息熵根据熵值的不同,可以确定一种比较优等的压缩或者编码方式但是小范围的熵减有可能伴随大范围的熵增比如用来编码汉字的16位可以表示狗,但是要编码汉字库所需要的信息熵就远大于用于编码英文的信息熵另外,熵值作为无序度理解时还可以表征物体的相态,比如完全有序,不均匀就是熵值为0的情况此时热力学温度为0,是理想不可到达的我们可以想象为有一块磁铁,所有的磁畴都沿同一方向排列,这时在磁场的角度上来说为熵值最小,当对它去磁化(比如加热),磁畴杂乱排列,整体显示为无磁性此时熵值最大

在利用熵值进行这种物理相态表征时,会有一些延伸比如,天体物理学中以宇宙大爆炸理论为代表的学派认为宇宙的初态是熵值最小的有序状态,伴随着宇宙的发展熵值增加

还有一种考虑方向为考虑从有序到无序的过程中,什么时刻物质变为的无序站在这一角度延伸出来的就是混沌理论

以上这些都是基于熵的研究而演化出来的,可以说,熵的应用非常广泛,而他本身,更带有很多哲学意义如果有兴趣不妨了解一下~

熵(entropy)指的是体系的混乱的程度,它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用,在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义,是各领域十分重要的参量。熵在1850年由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)提出,并应用在热力学中。后来在1948年,克劳德·艾尔伍德·香农在Bell System Technical Journal上发表了《通信的数学原理》(A Mathematical Theory of Communication)一文,第一次将熵的概念引入到信息论中来。建议你上上查找一下,那里有更详细的资料,希望能给你提供更好的帮助。

化学及热力学中所指的熵(Entropy),是一种测量在动力学方面不能做功的能量总数。熵亦被用于计算一个系统中的失序现象。 熵的热力学定义 熵的概念是由德国物理学家克劳伊士于1865年所提出。克氏定义一个热力学系统中熵的增减:在一个可逆性程序里,被用在恒温的热的总数(δQ),并可以公式表示为: 参考:uploadwikimedia/math/2/b/4/2b4de476d6550b244b456dc32ee28ca7 克劳伊士对变数S予以entropy(熵)一名

该名源自希腊词语τρoπή,意即「转换」。 1923年,德国科学家普朗克来中国讲学用到entropy这个词,胡刚复教授翻译时灵机一动,把「商」字加火旁来意译 entropy,创造了「熵」字。 熵的增减与热力机 克劳修斯认为S是在学习可逆及不可逆热力学转换时的一个重要元素。在往后的章节,我们会探讨达至这个结论的步骤,以及它对热力学的重要性。 热力学转换是指一个系统中热力学属性的转换,例如温度及体积。当一个转换被界定为可逆时,即指在转换的每一步时,系统保持非常接近平衡的状态。否则,该转换即是不可逆的。例如,在一含活塞的管中的气体,其体积可以因为活塞移动而改变。可逆性体积转变是指在进行得极其慢的步骤中,气体的密度经常保持均一。不可逆性体积转变即指在快速的体积转换中,由于太快改变体积所造成的压力波,并造成不稳定状态。可逆性程序亦被称为半静止程序。 热力机是一种可以进行一连串转换而最终能回复开始状态的热力学系统。这一进程被称为一个循环。在某些转换当中,热力机可能会与一种被称之为高温热库的大型系统交换热能,并因为吸收或释放一定的热量而保持固定温度。一个循环所造的结果包括: 系统所做的功(可以是负数,就像对系统做的功是正数般) 高温热库之间的热能传递 基于能量守恒定律,高温热库所失的热能正等于热力机所做的功,加上热库所赚取的热能。(请参阅循环过程)。 当循环中的的每个转换皆是可逆时,该循环是可逆的。这表示它可以反向操作,即热的传递可以相反方向进行,以及所作的功可以正负号调转。最简单的可逆性循环是在两个高温热库之间传递热能的卡诺循环。 在热力学中,在下列公式中定义使用绝对温度,设想有两个热源,一个卡诺循环从第一个热源中抽取一定量的热Q',相应的温度为T和T',则: 参考:uploadwikimedia/math/6/9/b/69be2e349e399869b9b2ee0f607eb930 现在设想一个任意热机的循环,在系统中从N个热源中交换一系列的热Q1

Q2QN

并有相应的温度T1

T2

TN

设系统接受的热为正量,系统放出的热为负量,可以知道: 参考:uploadwikimedia/math/e/a/9/ea92b57bb6b13140ba8bdf3380babdbc 如果循环向反方向运行,公式依然成立。 求证,我们为有N个热源的卡诺循环中引入一个有任意温度T0的附加热源

如果从T0热源中

通过j次循环

向Tj热源输送热Qj,从前面定义绝对温度的式中可以得出,从T0热源通过j次循环输送的热为: 参考:uploadwikimedia/math/8/5/2/8523c87b597537885d959f07863abf79 现在我们考虑任意热机中N个卡诺循环中的一个循环,在循环过程结束时,在T1

TN个热源中,每个热源都没有纯热损失,因为热机抽取的每一份热都被循环过程弥补回来。所以结果是(i)热机作出一定量的功,(ii) 从T0 热源中抽取总量为下式的热: 参考:uploadwikimedia/math/e/a/7/ea7dbd85a8709a97a474a27862703b41 如果这个热量是正值,这个过程就成为第二类永动机,这是违反热力学第二定律的,所以正如下式所列: 参考:uploadwikimedia/math/6/4/1/6412c5e87755e16af341f46ce2eeceb8 只有当热机是可逆的时,式两边才能相等,上式自变数可以一直重复循环下去。 要注意的是,我们用Tj 代表系统接触的温度,而不是系统本身的温度。如果循环不是可逆的,热量总是从高温向低温处流动。所以: 参考:uploadwikimedia/math/2/0/d/20d51f34df3563e2364721a5f330754d 这里T代表当系统和热源有热接触时系统的温度。 然而,如果循环是可逆的,系统总是趋向平衡,所以系统的温度一定要和它接触的热源一致。在这种情况下,我们可以用T代替所有的Tj,在这种特定情况下,一个可逆循环可以持续输送热, 参考:uploadwikimedia/math/9/b/d/9bd4f349e4d8373d91db0685a1109aaf (可逆循环) 这时,对整个循环进行积分,T是系统所有步骤的温度。

参考: wikepedia

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搜索 熵的概念最先在1864年首先由克劳修斯提出,并应用在热力学中。后来在1948年由克劳德·艾尔伍德·香农第一次引入到资讯理论中来。 有关热力学第二定律所提及的熵,请参看熵 (热力学)。 有关信息学的熵,请参看熵 (资讯理论) 有关生态学的熵,请参看熵 (生态学) 参考:uploadwikimedia/ /mons/thumb/7/72/Disambigsvg/25px-Disambigsvg 这是一个消歧义页——使用相同或相近标题,而主题不同的条目列表。 如果您是通过某个内部连结而转到本页,希望您能将该内部连结指向正确的主条目中。 取自"zh /w/indextitle=%E7%86%B5&variant=zh-" 页面分类: 消歧义

熵表示物质混乱度,焓表示物质的能量状态。

焓的定义式为:H=U+PV即一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和,但要注意这里压力与体积的乘积PV不是体积功。

一般在流动状态下使用该量表征流体能量。

熵,指的是体系的混乱的程度,它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用,在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义,是各领域十分重要的参量。

熵由鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)提出,并应用在热力学中。后来在,克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon)第一次将熵的概念引入到信息论中来。

1923年,德国物理学家普朗克来中国讲学,我国物理学家胡刚复做翻译,苦于无法将Entropy这一概念译成中文。他根据Entropy为热量与温度之商,而且这个概念与火有关,就在商上另加火旁,构成一个新字熵。

熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律:在孤立系统中,体系与环境没有能量交换,体系总是自发地像混乱度增大的方向变化,总使整个系统的熵值增大,此即熵增原理。

摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热,使熵增加,所以说整个宇宙可以看作一个孤立系统,是朝着熵增加的方向演变的。

焓是与内能有关的物理量,反应在一定条件下是吸热还是放热由生成物和反应物的焓值差即焓变(△H)决定。在化学反应过程中所释放或吸收的能量都可用热量(或换成相应的热量)来表示,叫反应热,又称“焓变”。

焓是一个状态量,焓变是一个过程量,如同瞬时速度是状态量,平均速度是过程量。

参考资料:

焓-    熵-

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