View
88
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
Entropi (termodinamika klasik)
Dari Wikipedia, ensiklopedia bebas
Entropi adalah properti dari sistem Thermodynamical. Sebuah sistem termodinamika
adalah setiap objek fisik atau daerah ruang yang dapat dijelaskan oleh jumlah
termodinamika nya seperti suhu , tekanan , Volume , dan kepadatan .
Konsep entropi dikembangkan oleh Rudolf Clausius . Clausius memberinya nama
"entropi", dari kata Yunani τρoπή, "transformasi". Ini tidak membuat referensi dengan
sifat mikroskopik dari materi. Pada 1870-an Ludwig Boltzmann dijelaskan entropi
sebagai ukuran jumlah konfigurasi mikroskopis mungkin Ω dari atom dan molekul
individu dari sistem (microstates) sesuai dengan keadaan makroskopik (macrostate)
dari sistem. Boltzmann kemudian melanjutkan untuk menunjukkan
bahwa k ln Ω adalah sama dengan entropi termodinamika. K faktor sejak itu dikenal
sebagai konstanta Boltzmann .
Artikel ini berkaitan dengan definisi termodinamika entropi. Meskipun entropi
termodinamika adalah subjek yang mandiri, harus dipahami secara paralel dengan
definisi statistik. Ketika definisi termodinamika menjadi yang paling sulit dimengerti,
definisi statistik membawa penjelasan sederhana, dan di mana hubungan antara
teori statistik dan percobaan menjadi diperpanjang, teori termodinamika memberikan
jawaban langsung.
Pendahuluan
Dalam sistem termodinamika tekanan perbedaan, perbedaan kepadatan, dan
perbedaan suhu semua cenderung untuk menyamakan waktu ke waktu. Misalnya,
mengambil ruang di dalamnya dengan segelas es mencair sebagai satu
sistem. Perbedaan suhu antara ruang hangat dan segelas air dingin dan es
menyamakan kedudukan sebagai panas dari ruangan tersebut dipindahkan ke es
dingin dan campuran air. Seiring waktu suhu kaca dan isinya dan suhu ruangan
mencapai keseimbangan. Entropi dari ruangan mengalami penurunan. Namun,
entropi dari kaca dengan es dan air telah meningkat lebih dari entropi dari ruangan
mengalami penurunan. Dalam sebuah sistem yang terisolasi seperti ruang dan air es
yang diambil bersama, penyebaran energi dari hangat ke daerah dingin selalu
menghasilkan kenaikan bersih entropi. Jadi, ketika sistem dari sistem air kamar dan
es telah mencapai kesetimbangan suhu, perubahan entropi dari keadaan awal
berada pada maksimum. Entropi dari sistem termodinamika adalah ukuran dari
seberapa jauh pemerataan itu telah berkembang.
Ada proses ireversibel banyak yang menghasilkan peningkatan
entropi. Lihat: produksi Entropi . Salah satunya adalah pencampuran dari dua atau
lebih zat yang berbeda. Pencampuran disertai dengan entropi pencampuran . Jika
zat awalnya berada pada suhu yang sama dan tekanan, tidak akan ada pertukaran
bersih panas atau bekerja di kasus-kasus penting, seperti pencampuran gas
ideal. Peningkatan entropi akan sepenuhnya karena pencampuran dari zat yang
berbeda. [1]
Dari perspektif makroskopik, dalam termodinamika klasik , entropi adalah fungsi
keadaan dari suatu sistem termodinamika : yaitu, properti tergantung hanya pada
keadaan saat ini dari sistem, tergantung bagaimana negara yang kemudian
dicapai. Entropi adalah bahan utama dari hukum kedua termodinamika , yang
memiliki konsekuensi penting misalnya untuk kinerja mesin panas, lemari es, dan
pompa panas.
Definisi
Menurut persamaan Clausius , untuk sistem homogen tertutup, di mana hanya
proses reversibel terjadi,
Itu berarti garis integral adalah jalur independen.
Jadi kita dapat mendefinisikan fungsi negara S, yang disebut entropi, yang
memenuhi
Entropi pengukuran
Untuk mempermudah, kita meneliti sistem tertutup seragam, yang termodinamika
negara ditentukan oleh suhu T dan tekanan P. Perubahan entropi dapat ditulis
sebagai
Kontribusi pertama tergantung pada kapasitas panas pada tekanan
konstan C P melalui
Ini adalah hasil dari definisi kapasitas panas dengan δ Q = C P d T dan T d S =
δ Q. Untuk menulis ulang masa jabatan kedua kita menggunakan salah
satu hubungan Maxwell
dan definisi dari koefisien termal ekspansi volume-
sehingga
Dengan ungkapan ini S entropi pada P dan T sewenang-wenang dapat
berhubungan dengan 0 entropi S di beberapa negara acuan pada P dan T 0
0 menurut
Dalam termodinamika klasik entropi dari negara referensi dapat diletakkan sama
dengan nol pada setiap suhu yang nyaman dan tekanan. Misalnya, untuk zat murni,
seseorang dapat mengambil entropi zat padat pada titik lebur pada 1 bar sama
dengan nol. Dari sudut yang lebih mendasar pandang, hukum ketiga
termodinamika menunjukkan bahwa ada preferensi untuk mengambil S = 0 pada t =
0 ( nol mutlak ) untuk bahan sempurna teratur seperti kristal.
Untuk menentukan S (P, T) kami mengikuti jalur tertentu dalam diagram PT: pertama
kita terpadu selama T pada tekanan konstan P 0, sehingga d P = 0, dan dalam
integral kedua kami lebih terintegrasi P pada suhu konstan T, sehingga d T =
0. Sebagai entropi adalah fungsi dari negara hasilnya adalah independen dari jalan.
Hubungan di atas menunjukkan bahwa penentuan entropi membutuhkan
pengetahuan tentang kapasitas panas dan persamaan negara (yang merupakan
hubungan antara P, V, dan T dari substansi yang terlibat). Biasanya ini adalah fungsi
rumit dan integrasi numerik diperlukan. Dalam kasus sederhana adalah mungkin
untuk mendapatkan ekspresi analitis untuk entropi. Misalnya, dalam kasus gas ideal,
kapasitas panas konstan dan hukum yang ideal gas PV = nRT memberikan
yang α V V = V / T = nR / p, dengan n jumlah mol dan R molar yang ideal- konstan
gas. Jadi, entropi molar gas ideal diberikan oleh
Dalam ekspresi ini C P sekarang adalah kapasitas panas molar.
Entropi sistem homogen adalah jumlah dari entropi dari berbagai subsistem. Hukum
termodinamika memegang ketat untuk sistem homogen meskipun mereka mungkin
jauh dari keseimbangan internal. Satu-satunya syarat adalah bahwa parameter
termodinamika subsistem menulis adalah (cukup) didefinisikan dengan baik.
Perubahan Entropi dalam transformasi ireversibel
Kita sekarang mempertimbangkan sistem homogen di mana transformasi internal
(proses) dapat terjadi. Jika kita menghitung entropi S 1 S 2 sebelum dan setelah
seperti proses internal Hukum Kedua Termodinamika menuntut
bahwaS 2 S ≥ 1 dimana tanda kesetaraan berlaku jika proses ini
reversibel. Perbedaan S i = S 2 - S 1 adalah produksi entropi karena proses
ireversibel. Hukum Kedua menuntut bahwa entropi dari sebuah sistem yang
terisolasi tidak dapat menurun. Produksi entropi selalu positif.
Misalkan suatu sistem termal dan mekanis terisolasi dari lingkungan (sistem yang
terisolasi). Sebagai contoh, pertimbangkan sebuah kotak kaku isolasi dibagi dengan
partisi bergerak menjadi dua jilid, masing-masing diisi dengan gas. Jika tekanan dari
satu gas yang lebih tinggi, akan mengembang dengan memindahkan partisi, dengan
demikian melakukan pekerjaan pada gas lainnya. Juga, jika gas berada pada
temperatur yang berbeda, panas dapat mengalir dari satu gas yang lain disediakan
partisi memungkinkan konduksi panas. Hasil di atas kami menunjukkan bahwa
entropi dari sistem secara keseluruhan akan meningkat selama proses ini. Ada ada
jumlah maksimum entropi sistem dapat memiliki dalam situasi. Entropi ini sesuai
dengan keadaan kesetimbangan stabil, karena transformasi ke keadaan setimbang
lain akan menyebabkan entropi menurun, yang dilarang. Setelah sistem mencapai
keadaan maksimum entropi, tidak ada bagian dari sistem dapat melakukan
pekerjaan pada bagian lain. Hal ini dalam pengertian ini bahwa entropi adalah
ukuran dari energi dalam suatu sistem yang tidak dapat digunakan untuk melakukan
kerja.
Sebuah proses ireversibel menurunkan kinerja suatu sistem termodinamika, yang
dirancang untuk melakukan pekerjaan atau menghasilkan pendinginan, dan hasil
dalam produksi entropi .Generasi entropi selama proses reversibel adalah
nol. Dengan demikian produksi entropi adalah ukuran ireversibilitas dan dapat
digunakan untuk membandingkan proses rekayasa dan mesin.
mesin Termal
Identifikasi Clausius 'S sebagai kuantitas yang signifikan didorong oleh studi tentang
transformasi termodinamika reversibel dan ireversibel.Sebuah mesin panas adalah
sistem termodinamika yang dapat mengalami urutan transformasi yang akhirnya
kembali ke keadaan semula. Seperti berurutan disebut proses siklus , atau
hanya siklus. Selama beberapa transformasi, mesin dapat bertukar energi dengan
lingkungannya. Hasil bersih dari siklus adalah
1. mekanik pekerjaan dilakukan oleh sistem (yang dapat positif atau negatif , arti
yang kedua bahwa pekerjaan yang dilakukan padamesin),
2. panas yang ditransfer dari satu bagian dari lingkungan yang lain. Dalam
kondisi mapan, dengan kekekalan energi , energi bersih hilang oleh
lingkungan sama dengan kerja yang dilakukan oleh mesin.
Jika setiap transformasi dalam siklus reversibel, siklus reversibel, dan dapat
dijalankan secara terbalik, sehingga transfer panas terjadi di arah yang berlawanan
dan jumlah tanda kerja switch dilakukan.
Mesin Panas
Pertimbangkan mesin panas kerja antara dua temperatur T H dan T. Dengan T kita
memiliki suhu lingkungan dalam pikiran, tetapi, pada prinsipnya juga mungkin ada
beberapa suhu rendah lainnya. Mesin panas adalah dalam kontak termal dengan
dua reservoir panas yang seharusnya memiliki kapasitas panas yang sangat besar
sehingga suhu mereka tidak berubah secara signifikan jika panas Q H dihapus dari
reservoir panas dan Q ditambahkan ke reservoir lebih rendah. Dalam operasi yang
normal T H> T dan Q H, Q, dan W adalah semua positif.
Sebagai sistem Thermodynamical kami, kami mengambil sistem besar yang meliputi
mesin dan dua reservoir. Hal ini ditunjukkan dalam Gbr.3 oleh kotak bertitik. Ini
adalah homogen, tertutup (tidak ada pertukaran materi dengan lingkungannya), dan
adiabatik (tidak ada pertukaran panas dengan lingkungannya). Hal ini tidak terisolasi
karena per siklus sejumlah kerja W yang dihasilkan oleh sistem yang diberikan
oleh hukum pertama termodinamika
Kami menggunakan fakta bahwa mesin itu sendiri adalah periodik, sehingga energi
internal tidak berubah setelah satu siklus. Hal yang sama berlaku untuk entropi,
sehingga peningkatan entropi S 2 - S 1 dari sistem kami setelah satu siklus diberikan
oleh pengurangan entropi dari sumber panas dan peningkatan wastafel
dingin. Peningkatan entropi total sistem S 2 - S 1 adalah sama dengan produksi
entropi S i karena proses ireversibel pada mesin sehingga
Hukum Kedua menuntut bahwa S i ≥ 0. Menghilangkan Q dari dua relasi memberikan
Istilah pertama adalah pekerjaan yang paling maksimum untuk mesin panas, yang
diberikan oleh mesin reversibel, sebagai salah satu operasi sepanjang siklus
Carnot . Akhirnya
Persamaan ini menyatakan bahwa produksi kerja berkurang oleh generasi
entropi. T jangka S i memberikan kerja yang hilang, atau energi hilang, oleh mesin.
Sejalan dengan itu, jumlah panas, dibuang ke wastafel dingin, meningkat dengan
generasi entropi
Hubungan ini penting juga dapat diperoleh tanpa dimasukkannya reservoir
panas. Lihat Artikel tentang produksi entropi .
Kulkas
Prinsip yang sama dapat diterapkan pada lemari es bekerja antara
temperatur T rendah L dan suhu lingkungan. Gambar skematis adalah persis sama
dengan Gbr.3 dengan T H digantikan oleh TL, Q H oleh Q L, dan
tanda W terbalik. Dalam hal ini produksi entropi adalah
dan pekerjaan, yang dibutuhkan untuk mengekstrak panas L T dari sumber dingin,
adalah
Istilah pertama adalah kerja minimum yang diperlukan, yang sesuai dengan lemari
es reversibel, jadi kita harus
yaitu, kompresor kulkas harus melakukan pekerjaan ekstra untuk mengimbangi
energi yang hilang akibat proses ireversibel yang menyebabkan produksi entropi .
Recommended