Энтропия (рассеивание энергии) - Entropy (energy dispersal)

Интерпретация энтропии как меры рассредоточение энергии было осуществлено на фоне традиционного взгляда, представленного Людвиг Больцманн, из энтропия как количественная мера беспорядка. Подход с распределением энергии избегает двусмысленного термина «беспорядок». Один из первых сторонников концепции рассеивания энергии был Эдвард Арманд Гуггенхайм в 1949 г., используя слово «распространение».[1][2]

В этом альтернативном подходе энтропия является мерой энергия рассредоточение или же распространять на конкретном температура. Изменения энтропии могут быть количественно связаны с распределением или распределением энергии термодинамической системы, деленной на ее температура.

Некоторые преподаватели предполагают, что идею рассеивания энергии легче понять, чем традиционный подход. Эта концепция была использована для облегчения обучения энтропии студентов, начинающих университет. химия и биология.

Сравнение с традиционным подходом

Термин «энтропия» использовался с самого начала истории классическая термодинамика, а с развитием статистическая термодинамика и квантовая теория изменения энтропии были описаны в терминах 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 неоднозначны,[3][4][5] и чье повседневное значение противоположно тому, что они должны означать в термодинамике. Эта ситуация не только вызывает путаницу, но также затрудняет преподавание термодинамики. Студентов просили понять значения, прямо противоречащие их обычному использованию, с равновесие приравнивается к «идеальному внутреннему беспорядку», а смешивание молока с кофе от кажущегося хаоса до однородности описывается как переход от упорядоченного состояния к неупорядоченному состоянию.[нужна цитата ]

Описание энтропии как количества «беспорядка» или «беспорядка», а также абстрактная природа статистическая механика обоснование этого представления может привести к путанице и значительным затруднениям для начинающих.[6][7] Хотя курсы подчеркнули микросостояния и уровни энергии, большинство студентов не могли выйти за рамки упрощенных представлений о случайности или беспорядке. Многие из тех, кто учился на практике вычислений, плохо понимали внутренний смысл уравнений, и возникла необходимость в качественных объяснениях термодинамических соотношений.[8][9]

Арье Бен-Наим рекомендует отказаться от слова энтропия, отвергая как интерпретацию «рассредоточения», так и «беспорядка»; вместо этого он предлагает понятие «недостающей информации» о микросостоянии, рассматриваемое в статистической механике, которое он считает здравым.[10]

Описание

Увеличение энтропии в термодинамическом процессе можно описать в терминах «рассредоточения энергии» и «распространения энергии», избегая при этом упоминания «беспорядка», за исключением случаев объяснения неправильных представлений. Все объяснения того, где и как энергия рассеивается или распространяется, были переработаны с точки зрения рассеивания энергии, чтобы подчеркнуть лежащий в основе качественный смысл.[6]

При таком 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, остывание горячей сковороды, ржавчина железа, выход воздуха проколотая шина и тающий лед в теплом помещении. Энтропия затем изображается как сложный вид критерия «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 его предыдущим состоянием в процессе, например расширения газа или смешивания жидкостей (при постоянной температуре). Уравнения исследуются со ссылкой на общий опыт, с акцентом на то, что в химии энергия, измеряемая энтропией как дисперсия, является внутренней энергией молекул.

Статистическая интерпретация связана с квантовой механикой в ​​описании способа 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 распределения энергии для системы по количеству доступных микросостояний, количеству различных комбинаций всей ее энергии в следующий момент. Таким образом, увеличение энтропии означает большее количество микросостояний для конечного состояния, чем для начального состояния, и, следовательно, большее количество возможных конфигураций полной энергии системы в любой момент. Здесь больший «разброс полной энергии системы» означает наличие многих возможностей.[нужна цитата ][11]

Непрерывное движение и столкновения молекул визуализируются как прыгающие шары обдуваемый воздухом, используемый в лотерее, может затем показать возможности многих Распределения Больцмана и постоянно меняющееся «распределение момента», а также идея о том, что при изменении системы динамические молекулы будут иметь большее количество доступных микросостояний. В этом подходе все повседневные спонтанные физические явления и химические реакции изображаются как вовлекающие некоторый тип потоков энергии от локализации или концентрации до распространения в большее пространство, всегда в состояние с большим количеством микросостояний.[12]

Такой подход обеспечивает хорошую основу для понимания традиционного подхода, за исключением очень сложных случаями, когда качественное отношение рассеивания энергии к энтропии изменения может быть настолько неразрывно затененными, что это спорный вопрос.[12] Таким образом, в таких ситуациях, как энтропия смешения когда два или более смешиваемых вещества имеют одинаковую температуру и давление, поэтому не будет чистого обмена теплом или работы, увеличение энтропии будет происходить из-за буквального распространения энергии движения каждого вещества в более крупном комбинированном окончательный том. 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.[13]

Текущее принятие

Варианты подхода с распределением энергии были приняты в ряде учебных курсов по химии,[нужна цитата ] в основном в США. В одном уважаемом тексте говорится:

Концепция числа микросостояний делает количественные плохо определенные качественные концепции «беспорядка» и «рассредоточения» материи и энергии, которые широко используются для введения концепции энтропии: более «беспорядочное» распределение энергии и материи соответствует к большему количеству микросостояний, связанных с той же полной энергией. - Аткинс и де Паула (2006)[14](стр. 81)

История

Понятие «диссипация энергии» использовалось в Лорд Кельвин Статья 1852 г. «Об универсальной тенденции природы к рассеиванию механической энергии».[15] Он различал два типа или «накопителей» механической энергии: «статическую» и «динамическую». Он обсудил, как эти два типа энергии могут переходить из одной формы в другую во время термодинамического преобразования. Когда высокая температура создается любым необратимым процессом (например, трением), или когда тепло распространяется за счет теплопроводности, механическая энергия рассеивается, и восстановить исходное состояние невозможно.[16][17]

Используя слово «распространение», один из первых защитников концепции рассеивания энергии был Эдвард Арманд Гуггенхайм.[1][2] В середине 1950-х годов с развитием квантовая теория исследователи начали говорить об изменениях энтропии в терминах смешивания или «распространения» полной энергии каждого компонента системы по ее конкретным квантованным уровням энергии, например, за счет реагенты и товары из химическая реакция.[18]

В 1984 году оксфордский физико-химик Питер Аткинс в книге Второй закон, написанная для непрофессионалов, представила нематематическую интерпретацию того, что он назвал «бесконечно непостижимой энтропией», простыми словами, описывая второй закон термодинамики как «энергия имеет свойство рассеиваться». Его аналогии включали воображаемое разумное существо по имени «Демон Больцмана», которое бегает вокруг, реорганизуя и рассеивая энергию, чтобы показать, как W в Формула энтропии Больцмана относится к рассеянию энергии. Эта дисперсия передается через атомные колебания и столкновения. Аткинс писал: «каждый атом несет кинетическая энергия, и распространение атомов распространяет энергию ... Уравнение Больцмана поэтому отражает аспект рассеивания: рассеивание сущностей, несущих энергию ».[19]

В 1997 году Джон Ригглсворт описал пространственные распределения частиц, представленные распределениями энергетических состояний. Согласно второму закону термодинамики, изолированные системы будут стремиться перераспределить энергию системы в более вероятное расположение или распределение энергии с максимальной вероятностью, то есть от сосредоточения к распределению. В силу Первый закон термодинамики, полная энергия не меняется; вместо этого энергия имеет тенденцию рассеиваться по пространству, к которому у нее есть доступ.[20] В его 1999 Статистическая термодинамика, M.C. Гупта определил энтропию как функцию, которая измеряет, как энергия рассеивается, когда система переходит из одного состояния в другое.[21] Другими авторами, определяющими энтропию способом, воплощающим рассредоточение энергии, являются Сеси Старр.[22] и Эндрю Скотт.[23]

В статье 1996 года физик Харви С. Лефф изложил то, что он назвал «распространением и разделением энергии».[24] Другой физик, Дэниел Ф. Стайер, опубликовал статью в 2000 году, показывающую, что «энтропия как беспорядок» неадекватна.[25] В статье, опубликованной в 2002 г. Журнал химического образования, Фрэнк Л. Ламберт утверждал, что описание энтропии как «беспорядка» сбивает с толку и от него следует отказаться. Он продолжил разработку подробных ресурсов для преподавателей химии, приравнивая увеличение энтропии к спонтанному распределению энергии, а именно, сколько энергии распространяется в процессе или насколько широко она становится рассредоточенной при определенной температуре.[6][26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Дагдейл, Дж. (1996). Энтропия и ее физический смысл, Тейлор и Фрэнсис, Лондон, ISBN  0748405682, Дагдейл цитирует только Гуггенхайма на странице 101.
  2. ^ а б Гуггенхайм, Э.А. (1949), Статистические основы термодинамики, Исследования: научный журнал и его приложения, 2, Баттервортс, Лондон, стр. 450–454.
  3. ^ Денби К. (1981). Принципы химического равновесия: с применением в химии и химической инженерии. Лондон: Издательство Кембриджского университета. С. 55–56.
  4. ^ Джейнс, Э. (1989). Раскрытие тайн - изначальная цель, в Максимальная энтропия и байесовские методы , Дж. Скиллинг, редактор, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, стр. 1–27, стр. 24.
  5. ^ Гранди, Уолтер Т. младший (2008). Энтропия и эволюция макроскопических систем во времени. Издательство Оксфордского университета. С. 55–58. ISBN  978-0-19-954617-6.
  6. ^ а б c Фрэнк Л. Ламберт, 2002 г. "Беспорядок - треснувший костыль для поддержки энтропийных дискуссий," Журнал химического образования 79: 187. Обновленная версия на здесь. В архиве 24 апреля 2014 г. Wayback Machine
  7. ^ Фрэнк Л. Ламберт "Второй закон термодинамики (6).[постоянная мертвая ссылка ]"
  8. ^ Карсон, Э. М., и Уотсон, Дж. Р. (Департамент образовательных и профессиональных исследований, Королевский колледж, Лондон), 2002 г. "Понимание студентами энтропии и свободной энергии Гиббса, "Университетское химическое образование - доклады 2002 г., Королевское химическое общество".
  9. ^ Созбилир, Мустафа, докторантура: Турция, Изучение понимания студентами ключевых химических идей в термодинамике, Кандидат наук. Диссертация, Департамент педагогических исследований, Йоркский университет, 2001 г.
  10. ^ Обзор книги "Энтропия и второй закон: интерпретации и ошибки-интерпретации" в Мир химии
  11. ^ Фрэнк Л. Ламберт, Молекулярная основа понимания простого изменения энтропии
  12. ^ а б Фрэнк Л. Ламберт, Энтропия проста, качественно
  13. ^ Фрэнк Л. Ламберт, Примечания к «Разговору об энтропии»: краткое обсуждение обе термодинамическая и «конфигурационная» («позиционная») энтропия в химии.
  14. ^ Аткинс, Питер; де Паула, Хулио (2006). Физическая химия (8-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-870072-5.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  15. ^ Дженсен, Уильям. (2004). "Энтропия и ограничение движения." Журнал химического образования (81) 693, май
  16. ^ Томсон, Уильям (1852). "Об универсальной тенденции природы к рассеянию механической энергии." Труды Королевского общества Эдинбурга, 19 апреля.
  17. ^ Томсон, Уильям (1874 г.). "Кинетическая теория рассеяния энергии. ", Природа IX: 441-44. (9 апреля).
  18. ^ Денби, Кеннет (1981). Принципы химического равновесия, 4-е изд.. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-28150-4.
  19. ^ Аткинс, Питер (1984). Второй закон. Научная американская библиотека. ISBN  0-7167-5004-X.
  20. ^ Ригглсворт, Джон (1997). Энергия и жизнь (модули в науках о жизни). CRC. ISBN  0-7484-0433-3. (см. отрывок)
  21. ^ Гупта, М. (1999). Статистическая термодинамика. Издатели New Age. ISBN  81-224-1066-9. (см. отрывок)
  22. ^ Старр, Сеси; Таггарт, Р. (1992). Биология - единство и разнообразие жизни. Wadsworth Publishing Co. ISBN  0-534-16566-4.
  23. ^ Скотт, Эндрю (2001). 101 Ключевые идеи в химии. Учите себя книгам. ISBN  0-07-139665-9.
  24. ^ Лефф, Х. С., 1996, "Термодинамическая энтропия: распространение и разделение энергии", Являюсь. J. Phys. 64: 1261-71.
  25. ^ Стайер Д. Ф., 2000 г., Являюсь. J. Phys. 68: 1090-96.
  26. ^ «Студенческий подход ко второму закону и энтропии». 2009-07-17. Архивировано из оригинал 17 июля 2009 г.. Получено 2014-12-12.

дальнейшее чтение

Тексты, использующие метод распределения энергии

  • Аткинс, П. В., Физическая химия для наук о жизни. Издательство Оксфордского университета, ISBN  0-19-928095-9; В. Х. Фриман, ISBN  0-7167-8628-1
  • Бенджамин Гал-Ор, "Космология, физика и философия", Springer-Verlag, Нью-Йорк, 1981, 1983, 1987 ISBN  0-387-90581-2
  • Белл, Дж., и другие., 2005. Химия: общий химический проект Американского химического общества, 1-е изд. В. Х. Фриман, 820 стр., ISBN  0-7167-3126-6
  • Брэди, Дж. Э. и Ф. Сенезе, 2004 г. Химия, вещество и его изменения, 4-е изд. Джон Вили, 1256pp, ISBN  0-471-21517-1
  • Браун, Т. Л., Х. Э. Ле Мэй и Б. Э. Бурстен, 2006. Химия: центральная наука, 10-е изд. Прентис Холл, 1248pp, ISBN  0-13-109686-9
  • Эббинг Д.Д., Гаммон С.Д., 2005. Общая химия, 8-е изд. Houghton-Mifflin, 1200pp, 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 изд.
  • Муг, Спенсер и Фаррелл. Термодинамика, управляемое исследование.
  • Мур, Дж. У., К. Л. Станистски, П. К. Юрс, 2005. Химия, Молекулярная наука, 2-е изд. Обучение Томпсона. 1248pp, ISBN  0-534-42201-2
  • Олмстед и Уильямс, Химия, 4-е изд.
  • Петруччи, Харвуд и Херринг. Общая химия, 9 изд.
  • Зильберберг, М.С., 2006. Химия, молекулярная природа вещества и изменения, 4-е изд. Макгроу-Хилл, 1183pp, ISBN  0-07-255820-2
  • Сухоцкий, Дж., 2004. Концептуальная химия 2-е изд. Бенджамин Каммингс, 706pp, ISBN  0-8053-3228-6

внешняя ссылка