Людвиг Больцман. - раздел Образование, ВЕЩЕСТВО И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО А Воздух В Комнате Нагревается. Однако Обратный Процесс Невозможен, Хотя Он ...
а воздух в комнате нагревается. Однако обратный процесс невозможен, хотя он и не противоречил бы первому закону.
Оказывается, правило таково: самопроизвольные процессы всегда сопровождаются преобразованием энергии в более неупорядоченную форму. Иначе говоря, природа предпочитает беспорядок!
ЧТО ТАКОЕ ЭНТРОПИЯ
Для описания степени беспорядка используется особая термодинамическая функция, называемая энтропией и обозначаемая буквой S. Это понятие (от греч. «эн» — «в», «внутрь» и «тропе» — «поворот», «превращение») ввёл немецкий физик Рудольф Клаузиус в 18б5 г. «Слово „энтропия", — писал он, — я намеренно подобрал ближе к слову „энергия", так как обе соответствующие этим выражениям величины настолько близки по своему смыслу, что они, по моему мнению, требуют однородного обозначения».
Почему же природа ведёт себя таким образом, что необратимость всех процессов связана именно с рассеянием энергии?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо переместиться в мир атомов и молекул. Даже в состоянии термодинамического равновесия частицы ни на мгновение не прекращают своего беспорядочного движения. Их скорости и положения в пространстве постоянно меняются. Другими словами, одному макроскопическому состоянию соответствует великое множество микроскопических состояний — различных вариантов положений всех частиц в пространстве и их скоростей. Число микросостояний называется термодинамической вероятностью W и характеризует неупорядоченность, хаотичность системы.
Людвиг Больцман (1844—1906). Связь энтропии с молекулярным хаосом он описал формулой S=klnW, где k — постоянная величина, называемая константой Больцмана, которая связана с газовой постоянной соотношением k=R/NA (NA— постоянная Авогадро) и равна 1,38•10-23 Дж/К
Энтропия скачкообразно изменяется при фазовых переходах вещества. Она повышается при плавлении, так как разрушается упорядоченная кристаллическая решётка, и, особенно, при испарении, поскольку резко возрастает объём, доступный для хаотичного движения молекул. Процессы же конденсации и кристаллизации вещества, наоборот, приводят к уменьшению его энтропии. Снижается она, хотя не так резко, и при охлаждении газов, жидкостей и твёрдых тел. В идеально правильном кристалле при температуре абсолютного нуля (-273 °С) энтропия равна нулю. Это утверждение — суть третьего закона термодинамики. Он позволяет экспериментально определять (а также рассчитывать теоретически) абсолютное значение энтропии различных веществ.
Иногда энтропию называют «стрелой времени». Смысл этого названия таков. Энтропия определяет направление самопроизвольных процессов. Однако такие процессы не идут самопроизвольно в обратную сторону — они необратимы во времени. Если какой-нибудь обратимый механический процесс, например качание маятника или столкновение бильярдных шаров, заснять на киноплёнку, а потом прокрутить её назад, изображение покажется вполне правдоподобным. В то же время необратимые процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии, скажем сгорание бенгальского огня, ржавление гвоздя, при подобном просмотре будут выглядеть совершенно невероятно. Таким образом, энтропия позволяет отличать прошлое от будущего.
Прибора, который показывал бы величину энтропии, не существует. В то же время энтропию или её изменение можно рассчитать. Например, увеличение энтропии вещества DS,
вызванное добавлением количества теплоты DQ при температуре Т, определяется по формуле: DS=DQ/T. Единицей измерения (размерностью) энтропии является Дж/К или Дж/(моль•К).
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Критерий самопроизвольности процесса устанавливается вторым законом термодинамики. Он имеет несколько формулировок, равнозначность которых не всегда очевидна на первый взгляд. Интересна история открытия этого закона.
В 1824 г. французский физик Никола Леонар Сади Карно (1796—1832) в своей единственной опубликованной работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» описал идеальную тепловую машину, позволяющую получать максимальную работу за счёт использования теплоты. Он сделал важный вывод: для получения работы недостаточно иметь только источник теплоты (нагреватель), но необходим ещё и её приёмник. Карно утверждал, что тепловые машины совершают работу не за счёт расхода теплорода, а за счёт его перехода от горячего тела к холодному, подобно тому как падение воды с высоты приводит в движение турбину (о теплороде рассказано в статье «Тепло химических реакций»). Коэффициент же полезного действия тепловой машины зависит исключительно от разности температур нагревателя и теплоприёмника.
В 1850 г. Клаузиус на основе анализа работы Карно впервые сформулировал второй закон термодинамики:
На сайте allrefs.net читайте: "ВЕЩЕСТВО И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО"
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Людвиг Больцман.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
ВЕЩЕСТВО И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В конце XVIII в. итальянские учёные Луиджи Гальвани (1737—1798) и Алессандро Во'льта (1745—1827) создали первый химический источник тока. С этого открытия в истории цивилизации началась новая эра
Опыт Л. Гальвани. Гравюра. 1791 г.
объяснения. Прежде всего следовало ответить на вопрос: почему при замыкании цепи из двух металлических проводков лапка сокращается, какой раздражитель вызывает сокращения? Гальвани дал правильный
Вольтов столб. Чертёж из рукописи А. Вольта.
кружки цинковыми, а картон — сукном. В результате получилась удобная компактная батарея.
Вольта обнаружил, что при сочетании меди и цинка получаются «сильные» элементы, а из меди и сере
Гемфри Дэви.
ризонтально в сухих узких деревянных ящичках. Батарея состояла из трёхметровых рядов, соединённых последовательно медными скобками. Теоретически подобное устройство из 2100 мелно-цинковых пар мо
Лаборатория М. Фарадея. Гравюра. XIX в.
Значение этого закона, совершенно чётко связывающего электричество с химическими свойствами веществ, трудно переоценить. Известный английский электрохимик, сконструировавший один из первых галь
Ряд напряжений металлов.
следующие, но ни один из предыдущих. Поскольку водород во многих отношениях близок к металлам, его тоже поместили в этот ряд — он оказался перед медью; однако сам водород металлы, как правило, н
ЭТИ ЗАГАДОЧНЫЕ КОЛЛОИДЫ
В середине XIX в. английский химик Томас Грэм (1805—1869) обнаружил вещества с загадочными свойствами. При выпаривании их растворов вместо кристаллов получались аморфные студенистые массы. Они име
Коллоидные растворы (золи) золота.
щелевой ультрамикроскоп, с помощью которого можно было разглядеть частицы диаметром менее 0,01 мкм. Они-то и выдвинули идею универсальности коллоидного, или дисперсного (от лат.
Пётр Александрович Ребиндер.
к единице площади, характеризует поверхностное натяжение с. Вот почему коллоидные частицы обладают избытком энергии по сравнению с той же массой сплошного вещества. «Лишняя» энергия делает колло
ТЕПЛО ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Важнейшая особенность химических процессов — образование новых веществ. Однако не менее важно и то, что они протекают с выделением или поглощением энергии. В первом случае реакции называются эк
И температуру, и крепость спиртных напитков измеряют в градусах.
Напоминания об этой теории сохранились даже в современном разговорном языке. Так, мы говорим, что теплота «течёт» от горячего тела к холодному, как будто речь идёт о жидкости. Слово «температура»
Эмануэль Клаузиус.
ЯЗЫК СОВРЕМЕННОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Всякий объект, который изучает термодинамика, называется термодинамической системой. Система — это некоторая часть материального мира, ограниченная
Юлиус Роберт Майер.
«официальным» учёным, входящим в университетскую корпорацию. В конце концов Мор послал статью в Вену и... забыл о ней. Лишь спустя 30 лет он случайно обнаружил, что его работу всё-таки напечатали!
Джеймс Прескотт Джоуль
Позднее величина механического эквивалента теплоты несколько раз уточнялась. Джоуль в 1843 г. получил значение 460 кГм, американский физик Генри Август Роуланд (1848—1901) в 1880 г. — 427 кГм, ч
Герман Иванович Гесс.
КАК ИЗМЕРЯЮТ ТЕПЛОТУ
Количество теплоты измеряют по её переносу от одного тела к другому. Повышение температуры тела определяется его теплоёмкостью: С = Q/DT, где С — тепло
Живой организм — это тоже своего рода тепловая машина.
джоуль. Поскольку пища — разнородная смесь, её калорийность, как правило, приводят в виде средних значений в расчёте на 100 г.
Начало таким измерениям положили Антуан Лавуазье и Пьер С
БЫТЬ ИЛИ НЕ БЫТЬ РЕАКЦИИ? ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Едва ли найдётся другая научная теория, столь простая по своим основным идеям и столь универсальная по охвату разнообразных природных явлений и процессов, как термодинамика. Она объясняет плавле
Уильям Томсон, лорд Кельвин.
Как видим, формулировки Клаузиуса и Кельвина накладывают определённые ограничения на использование теплоты для производства работы и обосновывают невозможность создания вечного д
Вечный двигатель. Старинная гравюра.
Таким образом, изменение энтропии является однозначным критерием самопроизвольности реакции, протекающей в изолированной системе:
DS>0 — реакция протекает самопроизвольно;
Энтропия — царица хаоса.
реакция протекает с увеличением числа молей газов в системе, то энтропия системы возрастает, и наоборот. Например, энтропия сильно увеличивается в реакции СаСО3=СаО+СО2 и у
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
(CuОН)2СО3.
Золотые украшения сохраняют свою красоту и блеск веками. А вот брошенный на улице старый автомобиль спустя несколько лет превращается в груду ржавого м
Механизм бимолекулярной реакции.
*Изомеризация — изменение строения без изменения состава молекулы.
ТЕОРИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ
Если реакции протекают при столкновении молекул, то скорость реакций должна напрямую
При нагревании.
где g — температурный коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при нагревании на 10 °С (или, что одно и то же, на 10 К).
Однако правило Вант-Гоффа спр
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
КОГДА РЕАКЦИЯ ОСТАНАВЛИВАЕТСЯ
Если смешать растворы кислоты и щёлочи, образуются соль и вода, например:
НСl+NaOH=NaCl+H2O. Если же попытаться провести реакцию хлорида
Анри Луи Ле Шателье.
РАССЧИТЫВАЕМ КОНЦЕНТРАЦИЮ КИСЛОТЫ
Константы равновесия определены для очень многих реакций. В большинстве случаев известно и то, как изменяется величина Кравн в з
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов