Сторінка
4

Закони термодинаміки і термодинамічні величини (функції) системи

, або . (1)

Відтак розмірність ентропії становитиме L2MT–2Q–1, а одиниця . Для кожної речовини обчислено значення стандартної молярної ентропії відносно 25°С (див. табл. 13).

З рівняння (1) випливає, що в довільних процесах збільшення поглинання системою енергії за певної температури (і зниження останньої) призводить до більшої неупорядкованості (збільшення ентропії), і навпаки. Це є обов’язковою ознакою всіх довільних процесів.

Розглянемо якісну зміну функції ентропії процесу горіння (окиснення) біомаси деревини.

Система просторового розміщення атомів у деревині визначається високовпорядкованою хімічною структурою її основних складових (целюлози й лігніну). Під час горіння деревини (довільний процес) відбувається деструкція речовини, роз’єднання атомів, їх відок­ремлення у формі газу і хаотичне розпорошення в просторі одночасно з деградацією концентрованої енергії хімічного зв’язку атомів у низькоконцентровану теплову енергію навколишнього середовища. Отже, процес горіння деревини супроводжується збільшенням сумарної ентропії системи і її довкілля .

Щодо живих організмів, екосистем чи біосфери Землі в цілому, забезпечення внутрішньої впорядкованості систем за умов постійного поглинання енергії зумовлює необхідність підтримувати стале значення ентропії. Це є можливим лише за постійного розсіювання більшої частини сонячної енергії, що її поглинають рослини, чи енергії їжі — тваринами у менш концентровану теплову. Це відбувається в процесі дихання (окиснення).

При цьому, зменшуючи ентропію власної (внутрішньої) системи, живі організми значно підвищують ентропію довкілля. За визначенням Г. Одума (H. Odum) відбувається так званий процес «відкачування невпорядкованості».

Розглянувши перший і другий закони термодинаміки (їх ще називають основами термодинаміки), ми ознайомились із термодинамічними функціями: внутрішньою енергією, ентальпією і ентропією. Звернімо увагу на те, що на відміну від таких функцій, як температура, тиск, об’єм, які можемо «бачити» чи «відчувати», енергію і ентропію наші органи чуттів не сприймають. Наприклад, за зовнішнім виглядом палива ми не можемо оцінити його питомої теплоти згоряння, але це не перешкоджає широкому використанню цих понять у науці. Проте слід зазначити, що вичерпного визначення суті ентропії, тобто другого закону термодинаміки, в одній дефініції не існує.

Є кілька визначень цього найзагальнішого закону природи, розуміння якого формує наукове мислення і полегшує сприймання широкого кола природних явищ, у тім числі і явища здобуття знань (інформації) людиною в процесі навчання. Наведемо кілька формулювань цього закону видатними вченими сучасності*.

1. Кожний довільний процес (фізичний чи хімічний) у природі відбувається в такий спосіб, щоб збільшувалась сума ентропій усіх тіл, які беруть участь у цьому процесі (М. Планк).

2. Стан з максимальною ентропією є найстійкішим для ізольованої системи (Е. Фермі).

3. Отримання інформації є процесом зменшення ентропії (Г. Льюіс).

4. Неможлива довільна передача теплоти від холоднішого тіла до більш гарячого (тривіальна істина).

5. Ентропія — цепокажчик напрямку (стрілка) часу (А. Едінгтон).

Останнє і перше формулювання закону підказують, що довільні процеси в системі відбуваються у послідовності, якій відповідає послідовність збільшення ентропії цих процесів. Отже, другий закон термодинаміки стверджує, що для будь-яких довільних процесів повна зміна ентропії , що включає зміну ентропії як самої системи , так і ентропії зовнішнього середовища завжди буде більшою за нуль [].

Розглянемо нескладний і цікавий приклад обчислення зміни ентропії під час згоряння водню, яке відбувається за екзотермічною реакцією, отже зі зменшенням внутрішньої енергії.

Розрахунок зміни стандартної молярної ентропії в наведеній хімічній реакції виконується за аналогією з розрахунком : зміна дорівнює різниці між сумарною стандартною ентропією продуктів реакції і вихідних реагентів .

Значення стандартної ентропії для кожного компонента системи знайдемо у довіднику (див. табл. 13) і підставимо їх у рівняння: