Κυριακή, 17 Ιανουαρίου 2010

ΕΝΤΡΟΠΙΑ ΕΠΕ: "Έργο μας η αύξηση της εντροπίας"


Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται.
Ο νόμος αυτός αφορά την ποσότητα της ενέργειας. Ο δεύτερος νόμος περιορίζει τον πρώτο, προσθέτοντας ότι η ενέργεια, κατά τις μετατροπές της, «υποβαθμίζεται» προς λιγότερο χρήσιμες μορφές. Ο νόμος αυτός αφορά την ποιότητα της ενέργειας, καθώς διασκορπίζεται και τελικά υποβαθμίζεται σε μη εκμεταλλεύσιμη μορφή.
Από τη στιγμή που το νερό πέσει από τον καταρράκτη, χάνει την ικανότητά να παράγει ωφέλιμο έργο. Το ίδιο συμβαίνει και στη βενζίνη: καθώς καίγεται στη μηχανή ενός αυτοκινήτου, η οργανωμένη ενέργειά της υποβαθμίζεται.
Η χρήσιμη ενέργεια εκφυλίζεται σε μη εκμεταλλεύσιμες μορφές.
Η ποιότητα της ενέργειας υποβιβάζεται σε κάθε μετατροπή, καθώς η ενέργεια τείνει να μεταπίπτει από οργανωμένες προς μη οργανωμένες μορφές.
«Στις φυσικές διεργασίες, η υψηλής ποιότητας ενέργεια τείνει να μετατρέπεται σε χαμηλής ποιότητας – η τάξη προς την αταξία»
Ας θεωρήσουμε ένα σύστημα που αποτελείται από μια στήλη από κέρματα πάνω σε ένα τραπέζι, τοποθετημένα ώστε να δείχνουν «κορώνα».
Κάποιος που περνά δίπλα από το τραπέζι σκοντάφτει πάνω του, και τα κέρματα σκορπίζονται στο πάτωμα χωρίς, φυσικά, να προσγειωθούν όλα δείχνοντας κορώνα.
Η τάξη μετατρέπεται σε αταξία. Μόρια ενός αερίου που κινούνται όλα σε αρμονία μεταξύ τους συνιστούν μία κατάσταση τάξης – και επίσης μια απίθανη κατάσταση. Από την άλλη πλευρά, μόρια ενός αερίου που κινούνται σε τυχαίες κατευθύνσεις και με ποικίλες ταχύτητες συνιστούν μια άτακτη, χαοτική (και πιο πιθανή) κατάσταση.
Αν αφαιρέσετε το σκέπασμα από ένα μπουκαλάκι με άρωμα, τα μόρια θα διαφύγουν μέσα στο δωμάτιο και θα περιέλθουν σε μια πιο άτακτη κατάσταση απ’ ότι πριν.
Η σχετική τάξη μετατρέπεται σε αταξία.
Δεν θα περίμενε κανείς να συμβεί το αντίθετο, δηλαδή να επιστρέψουν τα μόρια αυθόρμητα με τάξη στο μπουκαλάκι και να επανέλθουν έτσι στην πιο τακτική και περιορισμένη κατάσταση.
Διεργασίες στις οποίες η αταξία μετατρέπεται σε τάξη χωρίς καμιά εξωτερική παρέμβαση δεν συμβαίνουν στη φύση. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτός ο θερμοδυναμικός κανόνας καθορίζει μια φορά στη ροή του χρόνου.
Το βέλος του χρόνου δείχνει πάντα από την τάξη στην αταξία.
Διεργασίες των οποίων το συνολικό αποτέλεσμα είναι η αύξηση της τάξης απαιτούν πάντα εξωτερική παροχή ενέργειας. Σε τέτοιες διεργασίες υπάρχει πάντα αύξηση της αταξίας κάπου αλλού, η οποία αντισταθμίζει με το παραπάνω την αύξηση της τάξης.
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής έχει παγκόσμια ισχύ και δεν έχουν παρατηρηθεί εξαιρέσεις του. Ο δεύτερος νόμος, όμως, είναι μια πιθανολογική πρόταση.
Αν δοθεί αρκετός χρόνος, μπορεί να προκύψουν ακόμη και οι πιο απίθανες καταστάσεις: η εντροπία μπορεί μερικές φορές να ελαττώνεται.
Υπάρχει μια ελάχιστη πιθανότητα να σκορπιστούν π.χ. 100 κέρματα και να πέσουν όλα «κορώνα».
(ΠΗΓΗ: ΟΙ ΕΝΝΟΙΕΣ της ΦΥΣΙΚΗΣ - Paul Hewitt - Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης)
............................................................................
Πάει καιρός που η εντροπία δεν διδάσκεται στα Λύκεια (αν εδιδάσκετο πάλι, αφού δεν «μας χρειάζεται» στις εισαγωγικές εξετάσεις του χρόνου, ξανά μικρό θα ήτο το αποτέλεσμα)

Είδα τα Χριστούγεννα στο Δίκτυο Υλικό Φυσικής – Χημείας μια εξαιρετική εργασία για την εντροπία, τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο και τη μηχανή Carnot, του φυσικού Θοδωρή Παπασγουρίδη
και θυμήθηκα τα παλιά, όπως και μια προσπάθεια μου να κατανοήσω τον στατιστικό ορισμό της εντροπίας, με τον οποίο ξεκινά η εργασία. (Διευκρινήσεις εδώ)
......................................................................
Η σύνδεση της αταξίας με τη πιθανότητα φαίνεται και στο απλό πείραμα της ταυτόχρονης ρίψης δυό νομισμάτων στον αέρα.
Το αποτέλεσμα θάναι μία από τις 4 περιπτώσεις:
(ΚΚ) (ΚΓ) (ΓΚ) (ΓΓ)
Υπάρχουν τέσσερις δυνατές εκβάσεις, από τις οποίες οι δύο δεν ξεχωρίζουν.
Το πλέον πιθανό συμβάν είναι το (ΚΓ), επειδή αυτός ο συνδυασμός μπορεί να παρουσιασθεί δύο φορές περισσότερο από τις άλλες δύο δυνατότητες.
Όσες περισσότερες φορές παρουσιάζεται ένα συμβάν, είναι σαν να λαμβάνει χώρα μόνο αυτό.
Η τάξη και η αταξία είναι συνδεμένες με την απλότητα περιγραφής μιάς κατάστασης. Δύο Κ ή δύο Γ, σημαίνει τάξη, ενώ ένα Κ ή ένα Γ σημαίνουν σχετική αταξία.
Οι δομικοί λίθοι ενός κρυστάλλου είναι σε κατάσταση τάξης, ενώ τα μόρια ενός αερίου είναι σε κατάσταση αταξίας (τυχαίες ενέργειες και θέσεις)



Γενικά στο απλό θερμοδυναμικό σύστημα του δοχείου με τα n mole αερίου, η εντροπία αυξάνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία ή ο όγκος του συστήματος.
Η αύξηση της θερμοκρασίας σημαίνει μεγαλύτερη ποικιλία στις ταχύτητες των μορίων του αερίου, άρα μεγαλύτερη αταξία.

Η αύξηση του όγκου που καταλαμβάνει το αέριο οδηγεί σε αύξηση της αταξίας, τα ίδια μόρια σε μεγαλύτερο όγκο (σαν ένα οικόπεδο με σκουπίδια σκορπισμένα παντού και το ίδιο οικόπεδο)
Έτσι η εντροπία αυξάνεται (ΔS >0) στην ισόθερμη εκτόνωση, ισοβαρή εκτόνωση, ελεύθερη εκτόνωση, στην ισόχωρη θέρμανση.
Στην αδιαβατική εκτόνωση με αύξηση όγκου, ελάττωση θερμοκρασίας θα περιμέναμε ΔS=0.

Δεν υπάρχουν σχόλια: