Энтропия (рассеяние энергии)

В термодинамике интерпретация энтропии как меры рассеяния энергии осуществлялась на фоне традиционного взгляда, предложенного Людвигом Больцманом , на энтропию как количественную меру беспорядка . Подход, основанный на распределении энергии, позволяет избежать двусмысленного термина « беспорядок ». Одним из первых сторонников концепции рассеивания энергии был Эдвард А. Гуггенхайм в 1949 году, использовавший слово «распространение».

В этом альтернативном подходе энтропия является мерой энергии рассеивания или распространения при определенной температуре . Изменения энтропии могут быть количественно связаны с распределением или распространением энергии термодинамической системы , разделенной на ее температуру.

Некоторые преподаватели предполагают, что идею рассеивания энергии легче понять, чем традиционный подход. Эта концепция использовалась для облегчения преподавания энтропии студентам, начинающим изучать химию и биологию в университетах .

Сравнение с традиционным подходом

Термин «энтропия» использовался с самого начала истории классической термодинамики , а с развитием статистической термодинамики и квантовой теории изменения энтропии описывались с точки зрения смешивания или «распространения» полной энергии каждого компонента. системы по ее конкретным квантованным уровням энергии.

Такие описания, как правило, используются вместе с широко используемыми терминами, такими как беспорядок и случайность, которые являются неоднозначными. и чье повседневное значение противоположно тому, что они должны означать в термодинамике. Эта ситуация не только вызывает путаницу, но и затрудняет преподавание термодинамики. Студентам предлагалось уловить значения, прямо противоречащие их обычному использованию: равновесие приравнивалось к «совершенному внутреннему беспорядку», а переход молока в кофе от кажущегося хаоса к однородности описывался как переход из упорядоченного состояния в неупорядоченное.

Описание энтропии как степени «смешанности» или «беспорядка», а также абстрактная природа статистической механики , лежащей в основе этого понятия, могут привести к путанице и значительным трудностям для тех, кто начинает изучать этот предмет. Несмотря на то, что в курсах особое внимание уделялось микросостояниям и энергетическим уровням , большинство студентов не могли выйти за рамки упрощенных представлений о случайности или беспорядке. Многие из тех, кто учился, практикуя расчеты, плохо понимали внутренний смысл уравнений, и возникла необходимость в качественных объяснениях термодинамических зависимостей.

Арье Бен-Наим рекомендует отказаться от слова «энтропия» , отвергая интерпретации как «рассеяния», так и «беспорядка»; вместо этого он предлагает понятие «недостающей информации» о микросостояниях, рассматриваемое в статистической механике, которое он считает здравым смыслом.

Описание

Увеличение энтропии в термодинамическом процессе можно описать как «рассеивание энергии» и «распространение энергии», избегая при этом упоминания о «беспорядке», за исключением случаев, когда объясняются неправильные представления. Все объяснения того, где и как энергия рассеивается или распространяется, были переработаны с точки зрения рассеивания энергии, чтобы подчеркнуть основной качественный смысл.

В этом подходе второй закон термодинамики вводится как «Энергия самопроизвольно рассеивается от локализации к распространению, если ей не препятствуют в этом», часто в контексте обычных переживаний, таких как падение камня, раскаленная сковорода и т. д. остывание, ржавчина железа, выход воздуха из проколотой шины и таяние льда в теплом помещении. Энтропия тогда изображается как сложный своего рода критерий «до и после» — измерение того, сколько энергии распределяется во времени в результате такого процесса, как нагрев системы, или насколько широко распределяется энергия после того, как что-то происходит в сравнении. с предыдущим состоянием, в таком процессе, как расширение газа или смешивание жидкостей (при постоянной температуре). Уравнения исследуются со ссылкой на общий опыт, с акцентом на то, что в химии энергия, которую энтропия измеряет как дисперсию, является внутренней энергией молекул.

Статистическая интерпретация связана с квантовой механикой, описывающей способ распределения (квантования) энергии между молекулами на определенных энергетических уровнях, при этом вся энергия макросостояния всегда находится только в одном микросостоянии в один момент. Энтропия описывается как измерение рассеяния энергии системы по количеству доступных микросостояний, количеству различных расположений всей ее энергии в следующий момент. Таким образом, увеличение энтропии означает большее количество микросостояний для конечного состояния, чем для начального состояния, и, следовательно, более возможное расположение полной энергии системы в любой момент времени. Здесь большее «рассеивание полной энергии системы» означает существование многих возможностей.

Непрерывное движение и молекулярные столкновения, визуализируемые как прыгающие шары, надуваемые воздухом и используемые в лотерее, могут затем привести к демонстрации возможностей многих распределений Больцмана и постоянно меняющегося «распределения момента», а также к идее о том, что, когда система Изменения, динамические молекулы будут иметь большее количество доступных микросостояний. В этом подходе все повседневные спонтанные физические явления и химические реакции изображаются как включающие в себя потоки энергии определенного типа: от локализации или концентрации к распространению в большее пространство, всегда к состоянию с большим количеством микросостояний.

Этот подход обеспечивает хорошую основу для понимания традиционного подхода, за исключением очень сложных случаев, когда качественная связь рассеяния энергии с изменением энтропии может быть настолько неразрывно затемнена, что становится спорной. Таким образом, в таких ситуациях, как энтропия смешения , когда два или более разных веществ смешиваются при одинаковой температуре и давлении, поэтому чистого обмена теплом или работой не будет, увеличение энтропии будет происходить из-за буквального распространения энергия движения каждого вещества в большем объединенном конечном объеме. Энергетические молекулы каждого компонента становятся более отделенными друг от друга, чем они были бы в чистом состоянии, когда в чистом состоянии они сталкивались только с идентичными соседними молекулами, что приводило к увеличению числа доступных микросостояний.

Текущее

Варианты подхода, основанного на распределении энергии, были приняты в ряде учебников по химии для студентов бакалавриата. главным образом в США. В одном уважаемом тексте говорится:

Понятие числа микросостояний делает количественными плохо определенные качественные понятия «беспорядок» и «рассеивание» материи и энергии, которые широко используются для введения понятия энтропии: более «беспорядочное» распределение энергии и материи соответствует к большему числу микросостояний, связанных с одной и той же полной энергией. - Аткинс и де Паула (2006)

История

Понятие «рассеяние энергии» использовалось в статье лорда Кельвина 1852 года «Об универсальной тенденции в природе к рассеянию механической энергии». Он различал два типа или «запасов» механической энергии: «статическую» и «динамическую». Он обсудил, как эти два типа энергии могут переходить из одной формы в другую во время термодинамического преобразования. Когда тепло создается в результате какого-либо необратимого процесса (например, трения) или когда тепло распространяется за счет проводимости, механическая энергия рассеивается, и невозможно восстановить исходное состояние.

Используя слово «распространение», одним из первых сторонников концепции рассеивания энергии был Эдвард Арманд Гуггенхайм . В середине 1950-х годов, с развитием квантовой теории , исследователи начали говорить об изменениях энтропии с точки зрения смешивания или «распространения» полной энергии каждого компонента системы по ее конкретным квантованным энергетическим уровням, например, за счет реагентов. и продукты реакции химической .

В 1984 году оксфордский физико-химик Питер Аткинс в книге «Второй закон» , написанной для непрофессионалов, в простых терминах представил нематематическую интерпретацию того, что он назвал «бесконечно непостижимой энтропией», описав Второй закон термодинамики как «энергия стремится к разойтись». Его аналогии включали воображаемое разумное существо по имени «Демон Больцмана», которое бегает, реорганизуя и рассеивая энергию, чтобы показать, как буква W в формуле энтропии Больцмана связана с рассеянием энергии. Эта дисперсия передается посредством атомных вибраций и столкновений. Аткинс писал: «Каждый атом несет кинетическую энергию , и распространение атомов распространяет энергию… Таким образом, уравнение Больцмана отражает аспект рассеяния: рассеивание объектов, несущих энергию».

В 1997 году Джон Ригглсворт описал пространственное распределение частиц, представленное распределением энергетических состояний. Согласно второму закону термодинамики, изолированные системы будут иметь тенденцию перераспределять энергию системы в более вероятное расположение или распределение энергии с максимальной вероятностью, т.е. от состояния концентрации к распределению. В силу Первого закона термодинамики полная энергия не меняется; вместо этого энергия имеет тенденцию рассеиваться по пространству, к которому она имеет доступ. В своей «Статистической термодинамике» 1999 года М. К. Гупта определил энтропию как функцию, которая измеряет, как рассеивается энергия, когда система переходит из одного состояния в другое. Другие авторы, определяющие энтропию как олицетворение рассеивания энергии, - Сеси Старр. и Эндрю Скотт.

В статье 1996 года физик Харви С. Лефф изложил то, что он назвал «распространением и разделением энергии». Другой физик, Дэниел Ф. Стайер , опубликовал в 2000 году статью, показывающую, что «энтропия как беспорядок» неадекватна. В статье, опубликованной в Журнале химического образования в 2002 году , Фрэнк Л. Ламберт утверждал, что представление энтропии как «беспорядка» сбивает с толку и от него следует отказаться. Он продолжил разработку подробных материалов для преподавателей химии, приравнивая увеличение энтропии к спонтанному рассеиванию энергии, а именно к тому, сколько энергии распространяется в процессе или насколько широко она рассеивается – при определенной температуре.

См. также

• Введение в энтропию

Дальнейшее чтение

• Карсон, Э.М., и Уотсон, младший, (Департамент образовательных и профессиональных исследований, Королевский колледж, Лондон), 2002 г., « Понимание студентами бакалавриата энтропии и свободной энергии Гиббса », Университетское химическое образование – статьи 2002 г., Королевское химическое общество.
• Ламберт, Фрэнк Л. (2002). « Беспорядок — сломанная опора для поддержки дискуссий об энтропии », Журнал химического образования 79 : 187–92.
• Лефф, Харви С. (2007). «Энтропия, ее язык и интерпретация» (PDF) . Нашел физ . 37 (12). Спрингер: 1744–1766. Бибкод : 2007FoPh...37.1744L . дои : 10.1007/s10701-007-9163-3 . S2CID   3485226 . Проверено 24 февраля 2016 г. .

Тексты с использованием подхода рассеивания энергии

• Аткинс, П.В., Физическая химия для наук о жизни . Издательство Оксфордского университета, ISBN   0-19-928095-9 ; У. Х. Фриман, ISBN   0-7167-8628-1
• Бенджамин Гал-Ор, «Космология, физика и философия», Springer-Verlag, Нью-Йорк, 1981, 1983, 1987 гг. ISBN   0-387-90581-2
• Белл Дж. и др. , 2005. Химия: Общий химический проект Американского химического общества , 1-е изд. WH Фриман, 820 стр., ISBN   0-7167-3126-6
• Брэди Дж. Э. и Ф. Сенезе, 2004. Химия, материя и ее изменения , 4-е изд. Джон Уайли, 1256 стр., ISBN   0-471-21517-1
• Браун, Т.Л., Х.Э. ЛеМэй и Б.Е. Берстен, 2006. Химия: Центральная наука , 10-е изд. Прентис Холл, 1248 стр., ISBN   0-13-109686-9
• Эббинг, Д.Д. и С.Д. Гаммон, 2005. Общая химия , 8-е изд. Хоутон-Миффлин, 1200 стр., ISBN   0-618-39941-0
• Эббинг, Гаммон и Рэгсдейл. Основы общей химии , 2-е изд.
• Хилл, Петруччи, МакКрири и Перри. Общая химия , 4-е изд.
• Коц, Трейхель и Уивер. Химия и химическая реакционная способность , 6-е изд.
• Муг, Спенсер и Фаррелл. Термодинамика, управляемое исследование .
• Мур, Дж.В., К.Л. Станистски, П.К. Юрс, 2005. Химия, Молекулярная наука , 2-е изд. Томпсон Обучение. 1248 стр., ISBN   0-534-42201-2
• Олмстед и Уильямс, Химия , 4-е изд.
• Петруччи, Харвуд и Херринг. Общая химия , 9-е изд.
• Зильберберг, М.С., 2006. Химия, Молекулярная природа материи и изменений , 4-е изд. МакГроу-Хилл, 1183 стр., ISBN   0-07-255820-2
• Сухоцкий Дж., 2004. Концептуальная химия , 2-е изд. Бенджамин Каммингс, 706 стр., ISBN   0-8053-3228-6

Внешние ссылки

• Добро пожаловать на сайт, посвященный энтропии. Большой веб-сайт Фрэнка Л. Ламберта со ссылками на работы по подходу к энтропии, основанному на распределении энергии.
• Второй закон термодинамики (6)