I. O’quv materiallari

OCHIQ SISTEMANING ENTROPIYASI


Tayanch iboralar: entropiya, kosmologiya , iqtisod , sotsiologiya, Makquorn Rankine, Rudolf Klauzius, entalpiya, Lyudvig Boltsman, Bell Labs, termodinamikaning ikkinchi qonuni ,entropiya ehtimolli xarakteri, termodinamik ehtimollik, Bolsmon doimiysi, Genmgons erkin energiyasi, termodinamik potensial.

Entropiya - bu ilmiy tushuncha, shuningdek, tartibsizlik, tasodifiylik yoki noaniqlik holati bilan bog'liq bo'lgan o'lchanadigan jismoniy xususiyat. Ushbu atama va kontseptsiya turli sohalarda qo'llaniladi: klassik termodinamika , u birinchi marta tan olingan joy, statistik fizikada tabiatning mikroskopik tavsifi va axborot nazariyasi tamoyillari . U kimyo va fizika , biologik tizimlar va ularning hayot bilan aloqasi, kosmologiya , iqtisod , sotsiologiya , ob-havo fani , iqlim o'zgarishi va boshqa sohalarda keng ko'lamli ilovalarni topdi.axborot tizimlari , shu jumladan telekommunikatsiyada axborot uzatish . Termodinamik kontseptsiya 1850 yilda Shotlandiya olimi va muhandisi Makquorn Rankine tomonidan termodinamik funktsiya va issiqlik potentsiali nomlari bilan atalgan . 1865 yilda termodinamika sohasining yetakchi asoschilaridan biri boʻlgan nemis fizigi Rudolf Klauzius uni cheksiz kichik issiqlik miqdorining lahzali haroratga nisbati sifatida aniqladi . U dastlab uni nemis Verwandlungsinhaltda transformatsiya mazmuni deb ta'riflagan va keyinroq entropiya atamasini yunoncha transformatsiya so'zidan kiritgan.. Mikroskopik konstitutsiya va tuzilishga ishora qilib, 1862 yilda Klauzius bu tushunchani tarqoqlik ma'nosi sifatida talqin qildi .

Entropiyaning oqibati shundaki , energiyaning saqlanishini buzmaslik talabidan tashqari, ma'lum jarayonlar qaytarilmas yoki imkonsizdir, ikkinchisi termodinamikaning birinchi qonunida ifodalangan . Entropiya termodinamikaning ikkinchi qonunida markaziy o'rin tutadi , bunda o'z-o'zidan evolyutsiyaga qolgan izolyatsiyalangan tizimlarning entropiyasi vaqt o'tishi bilan kamayishi mumkin emas, chunki ular har doim entropiya eng yuqori bo'lgan termodinamik muvozanat holatiga keladi .
Avstriyalik fizigi Lyudvig Boltsman entropiyani tizimning makroskopik holatiga mos keladigan tizimning alohida atomlari va molekulalarining mumkin bo'lgan mikroskopik joylashuvi yoki holatlari sonining o'lchovi sifatida tushuntirdi. Shu tariqa u termodinamikaning statistik mexanika deb ataladigan yangi sohasiga statistik tartibsizlik va ehtimollik taqsimoti tushunchasini kiritdi va oʻrtacha konfiguratsiya atrofida oʻzgarib turuvchi mikroskopik oʻzaro taʼsirlar bilan oddiy logarifmik koʻrinishdagi makroskopik kuzatilishi mumkin boʻlgan xatti-harakatlar oʻrtasidagi bogʻliqlikni topdi. qonun, proportsionallik doimiysi bilan Boltsman doimiysi, bu zamonaviy Xalqaro birliklar tizimi (SI) uchun aniqlovchi universal konstantalardan biriga aylandi.
1948 yilda Bell Labs olimi Klod Shennon telekommunikatsiya signallaridagi ma'lumotlarning tasodifiy yo'qolishi muammosiga mikroskopik noaniqlik va ko'plikni o'lchashning o'xshash statistik kontseptsiyalarini ishlab chiqdi. Jon fon Neymanning taklifiga ko'ra, Shennon bu etishmayotgan ma'lumotlar ob'ektini statistik mexanikada foydalanishga o'xshash tarzda entropiya deb nomladi va axborot nazariyasi sohasini tug'dirdi . Ushbu tavsif entropiya tushunchasining universal ta'rifi sifatida aniqlangan.
Beton polga singan shisha stakanning sekin harakatdagi videosi. Buzilish jarayonining juda qisqa vaqt oralig'ida shisha idishni tashkil etuvchi massaning entropiyasi keskin ko'tariladi, chunki shishaning moddasi va energiyasi tarqaladi.
Entropiya tushunchasini sifat jihatidan ma'lum bir haroratda energiya tarqalishining o'lchovi sifatida tavsiflash mumkin. Shunga o'xshash atamalar klassik termodinamika tarixining boshidanoq qo'llanilgan va statistik termodinamika va kvant nazariyasi rivojlanishi bilan entropiya o'zgarishlari har bir tarkibiy qismning umumiy energiyasining aralashishi yoki "tarqalishi" nuqtai nazaridan tasvirlangan. tizimning ma'lum kvantlangan energiya darajalari ustida. Odatda muvozanatga to'g'ridan-to'g'ri qarama-qarshi ma'noga ega bo'lgan tartibsizlik va tartibsizlik atamalaridagi noaniqliklar keng tarqalgan chalkashlikka yordam beradi va ko'pchilik talabalar uchun entropiyani tushunishga xalaqit beradi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni shuni ko'rsatadiki, izolyatsiya qilingan tizimda turli haroratdagi ichki qismlar bir xil haroratga moslashishga moyil bo'ladi va shu bilan muvozanat hosil qiladi. Yaqinda ishlab chiqilgan ta'lim yondashuvi noaniq atamalardan qochadi va energiyaning tarqalish kabi tarqalishini tavsiflaydi, bu esa termodinamikaning birinchi qonuniga muvofiq jami energiya doimiy bo'lib qolsa ham, ish uchun zarur bo'lgan differentsiallarning yo'qolishiga olib keladi. Fizik kimyogar Piter Atkins o'zining " Jismoniy kimyo " darsligida entropiyani "o'z-o'zidan o'zgarishlar har doim energiya yoki materiyaning tarqalishi va ko'pincha ikkalasi bilan birga keladi" degan bayonot bilan kiritadi.
Ochiq, yopiq va izolyatsiyalangan tizimlar. Agar biror narsa tizimga kirishi yoki undan tashqariga chiqishi mumkin bo'lsa, biz buni ochiq tizim deb aytamiz. Agar materiya tizimga o'tishi yoki tizimdan chiqishi mumkin bo'lsa, lekin energiya bo'lmasa, biz uni yopiq tizim deb ataymiz. Agar na materiya, na energiya tizimga kira olmasa yoki tizimdan tashqariga chiqa olmasa, biz uni izolyatsiya qilingan tizim deb ataymiz. Izolyatsiya qilingan tizimning entropiyasi kamayishi mumkin bo'lgan jarayonlar sodir bo'lmaydi yoki izolyatsiya qilingan tizimda sodir bo'lgan har bir jarayonda tizimning entropiyasi oshadi yoki doimiy bo'lib qoladi. Ta'rif, ko'rib chiqilayotgan tizimning izolyatsiya qilinishini aniq talab qiladi. Bu ahamiyatsiz kuzatuv. Agar tizim izolyatsiya qilinmagan bo'lsa, u holda entropiya chegaradan oqib o'tishi mumkin va entropiya o'sish o'rniga kamayadi.
Muvozanatsiz tizimlardagi 2-qonun.
Shunday qilib, muvozanat va izolyatsiya qilingan barcha stresslar bilan, o'lchanmaydigan tizimlarda 2-qonun qanday qo'llaniladi? Haqiqatan ham bitta javob bor: soxta. Bunday holda, "soxta" sizning nomutanosib tizimingizni olib, uni (matematik jihatdan emas, balki jismoniy jihatdan) kichikroq subdomenlarga ajratishdir, ularning har biri doimiy harorat ega. Ularning barchasi bir xil haroratga ega bo'lishi shart emas, faqat o'z haroratiga ega bo'lishlari kerak. Siz har bir subdomenga entropiya va energiyadagi barcha ichki o'zgarishlarni hisoblab chiquvchi "izolyatsiya qilingan" tizim kabi munosabatda bo'lasiz, so'ngra ushbu subdomen aloqada bo'lgan har qanday boshqa subdomen chegarasidan keladigan har qanday energiya va/yoki entropiyani qo'shasiz. Amalda, bu barcha subdomenlar uchun bir vaqtning o'zida barcha tegishli tenglamalarni echishni talab qiladi. Yagona haqiqiy hiyla, agar sizning tizimingiz izolyatsiya qilinmagan bo'lsa, unda siz entropiya va energiya uchun qat'iy ichki manbalar va cho'kmalar bilan birga kiradigan yoki chiqadigan barcha entropiya va energiyani kuzatib borishingiz kerak. Albatta, bu nafaqat subdomenlar, balki butun tizimning tashqi chegarasi bilan ham shug'ullanishingiz kerak. Agar siz tashqi chegaradan o'tib bo'lmaydigan va umuman tizim izolyatsiya qilingan vaziyatni yarata olsangiz, shuncha yaxshi bo'ladi, lekin sizga kerak emas. Agar tashqi chegara o'tib bo'lmaydigan bo'lsa va tizim izolyatsiya qilingan bo'lsa, siz entropiyaning umumiy o'zgarishi 0 bo'lishi kerakligini bilasiz. Agar yo'q bo'lsa, 0 ni tizimning tashqi chegarasi bo'ylab aniq entropiya o'zgarishi bilan almashtiring va siz butun tizimni bilasiz. bu chegaralardan tashqariga chiqaolmaydi. Shunday qilib, siz 2-qonunning muhim ruhini, hatto na muvozanatda, na izolyatsiya qilingan tizimda ham qo'llashingiz mumkin.
Entropiya termodinamik tizimni tartibga solish usullari sonining o'lchovidir , odatda tizimning "tartibsizligi" sifatida tavsiflanadi. Bu kontseptsiya fizika va kimyo uchun asos bo'lib , termodinamikaning ikkinchi qonunida qo'llaniladi, ya'ni yopiq tizimning entropiyasi (u atrofdagilar bilan materiya yoki energiya almashmaydi) hech qachon kamaymasligi mumkin. Bu shuni anglatadiki, tizimni tartibga solishning "ko'pligi" yoki usullari soni hech qachon kamaymaydi va tizim tabiiy ravishda yuqori tartibsizliklarga moyil bo'ladi. Tizimning maksimal buzilishi, u issiqlik muvozanatida bo'lganda sodir bo'ladi , shuning uchun barcha izolyatsiya qilingan tizimlar vaqt o'tishi bilan shunga moyil bo'ladi. Entropiya, shuningdek , foydali ishni bajarish uchun mavjud bo'lmagan birlik harorat uchun tizimning issiqlik energiyasi sifatida ham ta'riflanishi mumkin. Shuning uchun entropiyani ma'lum energiya miqdori samaradorligining o'lchovi sifatida ko'rish mumkin . Bu tizimning entropiyasi oshgani sayin pasayadigan "energiya sifati" sifatida ifodalanadi. Ko'rinib turibdiki, issiqlik mexanik energiya yoki elektr energiyasidan pastroq energiya sifatiga ega, shuninm uchun bu issiqlik miqdorini nima uchun energiyaning yuqori sifatli shakllarining bir xil miqdoriga butunlay aylantira olmasligini tushunish uchun ishlatilishi mumkin. Qaytariladigan termodinamik jarayonda, masalan, Karno dvigatelida , to'liq tsikl davomida entropiyaning o'zgarishi nolga teng bo'lishi kerak. Buni Hyperphysics veb-saytida batafsilroq o'rganish mumkin .
O'simliklar va boshqa murakkab organizmlar izolyatsiyalangan tizimlar bo'lmagani uchun o'zlarining entropiyalarini kamaytirishga qodir. Atrofimizdagi dunyoda murakkablikning ko'plab misollari mavjud. Kichik urug'lardan o'sadigan o'simliklar, bir hujayrali urug'langan tuxumlar murakkab hayotga aylanadi, murakkab molekulalar va shakllanishlar. Ular termodinamikaning ikkinchi qonunining Entropiya bayonotini buzadigan juda murakkab tizimlardir. Entropiya ortib borayotgani va Ikkinchi qonun bu o'sishdan tartibsizlik, tasodifiylik va soddalik paydo bo'lishini nazarda tutganligi sababli, qanday qilib atrofimizda shunchalik tartib va murakkablik bor? Javob shundaki, bu buzuqlik faqat izolyatsiyalangan tizimlar deb nomlanuvchi atrof-muhit bilan energiya almashmaydigan tizimlarga tegishli. Bu entropiyani tushunishda katta chalkashlikdir va izolyatsiyalangan (yopiq) va izolyatsiyalanmagan (ochiq) tizimni farqlash muhimdir. Ochiq tizimlar atrof-muhit bilan o'zaro ta'sir qilishda erkindir va shuning uchun ularga energiya qo'shilishi yoki undan olib tashlanishi mumkin. Vaqt o'tishi bilan tartibli bo'ladigan tizimlar o'z-o'zini tashkil qiluvchi tizimlar deb ataladi. Entropiyaning bunday pasayishi mumkin bo'lishi uchun ular tashqi manbadan energiya olishlari kerak. Biroq, ochiq tizimning entropiyasi kamayib borayotganligi sababli, tizimdan tashqarida entropiyaning ortishi bo'lishi kerak. Masalan, shuning uchun suv murakkab tuzilmalarga muzlashi mumkin. Suv yuqori darajada tashkil etilgan kristall hosil qiladi va bu strukturani hosil qilganda suvning entropiyasi kamayadi. Buning sababi shundaki, issiqlik energiyasi suvdan atrofdagi havoga o'tadi, shuning uchun havo entropiyasini oshiradi. Havodagi bu o'sish suvning pasayishidan ko'proq bo'lishi kerak, chunki butun tizimning entropiyasi oshishi kerak. Bu sovutgichga o'xshaydi , chunki uni sovutish uchun ish muzlatgichga kiritilishi kerak, shuning uchun uning entropiyasi kamayadi. Izolyatsiya qilinmagan tizimning entropiyasini kamaytirish tushunchasini quyidagicha tasvirlash mumkin. (G‘ishtlarning joylashishi g‘isht entropiyasining so‘zma-so‘z ifodasi emas, balki shunchaki “ko‘plik” g‘oyasini ko‘rsatish uchundir. G‘ishtlarning haqiqiy entropiyasi ularning ichki harorati bilan bog‘liq.

Sinov savollari

1.Entropiyani ta’riflang.
2.Termodinamikaning ikkinchi qonuni ayting.
3.Ochiq, yopiq va izolyatsiyalangan tizimlar haqida tushuncha bering.
4.Termodinamikani o’rganishda xizmat ko’rsatgan olimlar haqida ayting.