Термодинамика экосистем: закон энтропии — Мегаобучалка

Энтропия — это термодинамическая функция состояния системы, которая отражает вероятность реализации того или иного состояния системы в процессе теплообмена.

Энтропияэто мера неупорядоченности состояния системы; стремление частиц (молекул, ионов, атомов) к хаотическому движению. По изменению энтропии в ходе реакции можно судить о переходе системы от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному или наоборот.

Энтропия возрастает (∆Ѕ>0) с увеличением движения частиц при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п.

Процессы, связанные с упорядоченностью системы (конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация), сопровождаются уменьшением энтропии (∆Ѕ < 0). Измеряется энтропия в Дж/(моль×К).

Изменение энтропии системы в результате протекания химической реакции (∆S) (энтропия реакции) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.Изменение энтропии в результате протекания химической реакции

aA + bB = сС + dD:

.

Энтропия также является одним из критериев возможности самопроизвольного протекания процесса: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т.е. к росту энтропии.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒


Дата добавления: 2015-04-12; просмотров: 2132; Опубликованный материал нарушает авторские права? | Защита персональных данных |


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Читайте также:


Экология изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы. Энергию определяют как способность произво­дить работу. Свойства энергии описываются следующими законами.

Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному, в частности таким образом: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроиз­вольного превращения кинетической энергии (например, света) в потенциальную (на­пример, энергию химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100 %.

Мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования —энтропия (от греч. entropia — поворот, превращение). Этот термин также используется как мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии.

Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и био­сферы в целом — способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. И. Пригожин (1962) показал, что способность к самоорганизации и созданию новых структур встречается в системах, далеких от равновесия и обладающих хорошо развитыми «диссипативными струк­турами», откачивающими неупорядоченность.

Экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термо­динамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в со­гласии с законами термодинамики.

Термин «энтропия» используется и в более широком смысле — для обозначения деградации различных материалов. Так, недавно выплавленная сталь — это низкоэнтро­пийное состояние железа, а ржавеющий кузов автомобиля — высокоэнтропийное. Соот­ветственно для «высокоэнтропийного» человеческого общества характерна деградация энергии, ржавеющая техника, лопающиеся водопроводные трубы и разрушаемая эрози­ей почва.

Постоянные восстановительные работы — неизбежная плата за цивилизацию с высоким расходом энергии.

5. Экологические законы, связанные с энергетическими потоками биосферыПРИНЦИП ЛЕ ШАТАЛЬЕ-БРАУНА — при внешнем воздействии, выводящем

систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направле­нии, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Следствием из принципа Ле Шаталъе — Брауна) является ЗАКОН ТОРМОЖЕ­НИЯ РАЗВИТИЯ — в период наибольших потенциальных темпов развития системы возникают максимальные тормозящие эффекты.

Принцип Ле Шаталье-Брауна применим в рамках классической физики для опи­сания процессов в закрытых системах (не получающих энергии извне); так как экоси­стемы — принципиально открытые системы (обмениваются энергией, веществом, информацией с окружающей средой), то для их описания более корректными выглядят представления теории нелинейных необратимых процессов. Для закрытых систем об­щим принципом является второе начало термодинамики, для открытых — ПРИНЦИП НЕРАВНОВЕСНОЙ ДИНАМИКИ ПРИГОЖИНА-ОНСАГЕРА — Неравновесность есть то, что порождает «порядок из хаоса». Если закрытые системы имеют одно состоя­ние равновесия, то открытые — несколько. Перейдя границу устойчивости система по­падает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В этой точке даже небольшая флуктуация может вывести систему на иной путь эволюции и резко изме­нить ее структуру и поведение.

ПОСТУЛАТ МАКСИМУМА БИОГЕННОЙ ЭНЕРГИИ Вернадского-Бауэра — лю­бая экосистема, находясь в состоянии "устойчивого неравновесия" (т.е. динамического подвижного равновесия с окружающей средой) и эволюционно развиваясь, уве­личивает свое воздействие на среду.

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЧИСЕЛ Элтона (1927) — число индивидуумов в последова­тельности трофических уровней убывает и формирует пирамиду чисел.

ЗАКОНПИРАМИДЫ БИОМАСС (Одум, 1975). Пирамиды биомасс представляют более фундаментальный интерес, так как они дают "…картину общего влияния отноше­ний в пищевой цепи на экологическую группу как целое".

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ПРОДУКТИВНОСТИ — более стабильная "пирамида", чем пирамида чисел или пирамида биомасс, которая в значительно большей степени отра­жает последовательность трофических уровней.

ПРАВИЛО ДЕСЯТИ ПРОЦЕНТОВ (пирамида энергий Станчинского) — средне-максимальный переход 10 % энергии (или вещества в энергетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, как правило, не ведет к неблагоприятным для экосистемы в целом и теряющего энергию трофического уров­ня последствиям.

АКСИОМА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ АККУМУЛЯЦИИ ЭНЕРГИИ — часть прохо­дящей через экосистему энергии накапливается и временно "выключается" из общего энергетического потока.

ПРАВИЛО ОДНОГО ПРОЦЕНТА В.Г. Горшкова (1985) — изменение энергетики природной системы на 1%, как правило, выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния.

ПРИНЦИП МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ Лотки-Одума-Пинкертона — в «сопер­ничестве» с другими экологическими объектами выживают (сохраняются) те из них, которые наилучшим образом способствуют поступлению энергии и используют мак­симальное ее количество наиболее эффективным способом. 6. Элементы биоэнергетики экосистем

Особая роль растительности в общей структуре живой природы связана с основ­ной функцией растительного покрова нашей планеты — аккумуляцией и превращением солнечной энергии в энергию химических связей органического вещества с последую­щей передачей ее тем компонентам экосистемы, которые не в состоянии самостоятельно фиксировать энергию Солнца.

Установлено, что к верхним слоям атмосферы Земли от Солнца приходят 1,94 кал/см2 в минуту, из которых биосферы достигает только около 0,9 кал/см2/мин, а по­верхности Земли — менее 0,3 кал/скг/мин. В средних широтах каждый гектар поверхно­сти планеты получает 9-10 кал/год. Однако верхний предел фиксации солнечной энер­гии растительность составляет всего 5 % от посылаемой Солнцем энергии.

Энергия в экосистеме на примере смешанного леса представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Энергия в экосистеме на примере смешанного леса

Всякий источник энергии, уменьшающий затраты на само­поддержание экосистемы и уве­личивающий ту долю энергии, которая может перейти в про­дукцию, называется вспомога­тельным потоком энергии, или энергетической субсидией.

Фактор, который при од­них условиях среды или при одном уровне поступлений уве­личивает продуктивность, при других условиях среды или дру­гом уровне поступлений может способствовать утечкам энер­гии, уменьшая продуктивность (рисунок 9).

Обобщенная кривая, по­казывающая, как увеличенное поступление энергии или веще-

Рис.

9. Кривые субсидии и стресса стваможет вывести систему из

диапазона обычного функцио­нирования (N).

Энтропия в классической термодинамике

Если система может использовать этот излишек, то ее основные функции, например продуктивность, при умеренных уровнях повышения притока могут усилиться (эффект субсидии— Sub), но при дальнейшем увеличении притока эти функции на­чинают подавляться (эффект стресса — St). Если поступают ядовитые вещества, функ­ции подавляются и высока вероятность того, что сообщество заменится другим, более толерантным, или экосистема вообще погибнет. R — замещение, L — гибель.


Читайте также:

 

Рассмотренные законы равновесной термодинамики являются обобщением опыта наблюдений над изолированными системами. В изолированной системе состоянию равновесия отвечает состояние максимального хаоса, такая система всегда возвращается в положение равновесия, характеризующегося максимальной энтропией. Однако существует громадное количество неизолированных систем, процессы в которых более сложны. Рассмотрим поведение таких систем.

Система называется открытой, если она может обмениваться с окружающей средой энергией, веществом или информацией. Именно такими системами являются многие реальные объекты как живой, так и неживой природы. Исследование открытых систем возможно только на основании термодинамики неравновесных процессов.

И.Р.

Просто о сложном

Пригожин сформулировал расширенный вариант второго закона термодинамики для открытых систем. В открытой системе изменение энтропии будет обусловлено не только процессами внутри системы, в которых энтропия не может убывать, но и процессами обмена энергией и веществом с окружающей средой, в которых энтропия может как возрастать, так и убывать.

Пусть dSe – изменение энтропии за счет взаимодействия с внешней средой, а dSi – изменение энтропии за счет внутренних процессов. Тогда изменение энтропии dS открытой системы состоит из суммы двух членов

dS =dSe+ dSi . (6.5)

 

Изменение энтропии за счет внутренних процессов dSi может быть только положительным (второе начало термодинамики), в таких случаях говорят о производстве энтропии внутри системы. Изменение энтропии за счет взаимодействия с внешней средой dSe может быть как положительным, так и отрицательным.

В стационарном состоянии dS=0, следовательно, dSe = – dSi. Если изменение энтропии, обусловленное связью с внешней средой, отрицательно и превосходит по величине приращение энтропии внутри системы, то суммарное изменение энтропии будет отрицательно. Это означает, что энтропия внутри системы будет убывать и, следовательно, станет возможным увеличение порядка в системе. Естественно, это произойдет за счет уменьшения порядка в окружающей среде.

Таким образом, эволюцию к более высокому порядку можно представить как процесс, в котором система достигает состояния с более низкой энтропией по сравнению с энтропией в начальном состоянии. По формулировке Пригожина система эволюционирует к стационарному состоянию, характеризуемому минимальным производством энтропии.

Напомним, что состояние системы называется равновесным, если в этом состоянии все параметры системы имеют определенные значения и остаются при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго. Система может быть выведена из равновесия воздействием извне. Процессам, нарушающим равновесие системы, противостоит внутренняя релаксация. Например, в случае разреженных газов внутренняя релаксация обусловлена столкновением между молекулами. Поэтому после прекращения внешнего воздействия система возвращается в равновесное состояние. Время, необходимое для такого возвращения, называется временем релаксации.

Если возмущающие процессы менее интенсивны, чем релаксационные, то в малых объемах системы наблюдается локальное равновесие. Например, если газ поместить между плоскостями, нагретыми до разных температур, то система в целом не будет равновесной, температура системы в разных точках будет различной. Однако процесс теплопроводности достаточно медленный и в системе будут области с локальным равновесием. Локальное равновесие может наблюдаться и в случае медленного изменения внешнего воздействия для времен, бóльших времени элементарного релаксационного процесса, формирующего равновесие.

В сложной системе, состоящей из большого числа подсистем, возникает большое число связей между ними. В такой системе из-за внутренних взаимодействий возникает эффект системности: появление большого количества новых свойств, которых нет у ее частей. На пути любой достаточно сложной системы к равновесию, которое характеризуется максимумом энтропии, встречаются обстоятельства, не позволяющие это сделать. Такими обстоятельствами могут выступать граничные условия (например, постоянная разность температур на границах). В этом случае система с течением времени переходит в квазистационарное состояние. Таким образом, в неравновесной термодинамике появилось новое понятие стационарное (т.е. не зависящее от времени) неравновесное состояние.

В стационарных неравновесных состояниях характеристики системы не зависят от времени, поэтому и энтропия от времени не зависит. Но энтропия все время возникает, поскольку потоки и силы в системе отличны от нуля. Полная энтропия будет постоянной только при поступлении в систему извне отрицательной энтропии или негэнтропии, которая компенсирует производство энтропии внутри системы. В стационарном неравновесном состоянии уменьшается производство энтропии. Теорема о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии, сформулированная Пригожиным, отражает внутреннюю устойчивость неравновесных систем, их своеобразную инерционность.

Устойчивость стационарных состояний с минимальным производством энтропии связана с принципом, сформулированным в 1884 г. Ле Шателье и обобщенным в 1887 г. немецким физиком К. Брауном. Принцип Ле Шателье–Брауна в современной интерпретации означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия.

Принцип локального равновесия и теорема о минимуме производства энтропии в равновесных системах были положены в основу современной термодинамики необратимых процессов.

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒



Процессы: самопроизвольные – без затрат работ извне (расширение газов, стекание жидкости), не самопроизвольные – сжатие газов, перерос воды снизу вверх. В результате самопроизвольных процессов может быть получена полезная работа против внешних сил, пропорциональная произошедшему изменению энергии в системе. В ходе самопроизвольного процесса система теряет способность производить полезную работу.Второй закон термодинамики. Энтропия.

Энтропия – мера беспорядка, т.е. хаотичности системы. S=RlnW – энтропия к одному молю вещества, S=klnW (k=R/Na). Энтропия никогда не равна нулю. Факторы влияющие на энтропию, при P=const энтропия зависит от агрегатного состояния вещества (температура); при повышении давления энтропия уменьшается, при понижении давления энтропия увеличивается; при понижении скорости энтропия уменьшается. Энтропия зависит от сложности повышения энтропии, массы элементов. Энтропия – это функция состояния системы, ΔSхр=ΣSпрод.— ΣSисх. В изолированной системе самопроизвольно протекает процесс с увеличением энтропии. Энтальпия ΔH – это характерное стремление системы в объединению, а ΔS к разъединению.

Стандартная молярная энтропия простых и сложных веществ. Изменение энтропии при химических превращениях и фазовых переходах.

Энтропия одного моль при стандартных условия называется стандартной молярной энтропией. Энтропия простого вещества имеющего правильную крист. Решетку при Т=0 К – равна нулю.

Критерии самопроизвольного протекания химических реакций. Энергия Гиббса. Расчет энергии Гиббса химической реакции для стандартных и нестандартных условий.

В изолированной системе самопроизвольно протекают только те процессы, которые сопровождаются увеличением энтропии. ΔG<0 –критерий самопроизвольного протекания процесса.. ΔG=0 – система находится в состоянии равновесия.

Свободная энергия Гиббса (G). ΔG=ΔH-TΔS, ΔH= ΔG+T ΔS. ΔG характеризует работоспособность системы, ΔG – эта та энергия, за счет которой энергия совершает работу.

По-простому, что такое энтропия?

TΔS – в виде тепла в окружающею среду. Стандартная энергия образования веществ – изменение энергии Гиббса в процессе образования одного моля вещества из простых веществ, взятых в устойчивом состоянии при стандартных условиях. ΔG определяется для различных веществ. Для простых веществ ΔG=0, ΔGхр= ΔGпрод— ΔGисх с учетом стехиометрических коэффициентов. ΔGT= ΔH0298-TΔS0298 (уравнение второго закона термодинамики).

Энтальпийный и энтропийный факторы химических реакций. Температура при которой обратимая реакция меняет свое направление.

ΔG=ΔH298хр-TΔS298хр. ΔH298хр – Энтальпийный фактор.TΔS298хр – энтропийный фактор. Расчет температуры если реакция меняет направление. ΔG=0ΔHхр=TΔSхрТравн=ΔHхр/ΔSхр

Фазовые равновесия.

Равнове́сие фаз в термодинамике — состояние, при котором фазы в термодинамической системе находятся в состоянии теплового, механического и химического равновесия.

Типы фазовых равновесий:

Тепловое равновесие означает, что все фазы вещества в системе имеют одинаковую температуру.

Механическое равновесие означает равенство давлений по разные стороны границы раздела соприкасающихся фаз. Строго говоря, в реальных системах эти давления равны лишь приближенно, разность давлений создается поверхностным натяжением.

Химическое равновесие выражается в равенстве химических потенциалов всех фаз вещества.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒


Дата добавления: 2018-01-21; просмотров: 49; Опубликованный материал нарушает авторские права? | Защита персональных данных |


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Термодинамическая энтропия

Подробности
Категория: Термодинамика
Опубликовано 03.01.2015 15:41
Просмотров: 5632

К макроскопическим параметрам термодинамической системы относятся давление, объём и температура. Однако существует ещё одна важная физическая величина, которую используют для описания состояний и процессов в термодинамических системах. Её называют энтропией.

Что такое энтропия

Впервые это понятие ввёл в 1865 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус. Энтропией он назвал функцию состояния термодинамической системы, определяющую меру необратимого рассеивания энергии.

Что же такое энтропия?

Прежде чем ответить на этот вопрос, познакомимся с понятием «приведенной теплоты». Любой термодинамический процесс, проходящий в системе, состоит из какого-то количества переходов системы из одного состояния в другое. Приведенной теплотой называют отношение количества теплоты в изотермическом процессе к температуре, при которой происходит передача этой теплоты.

Q’ = Q/T.

Для любого незамкнутого термодинамического процесса существует такая функция системы, изменение которой при переходе из одного состояния в другое равно сумме приведенных теплот. Этой функции Клаузиус дал название «энтропия» и обозначил её буквой S, а отношение общего количества теплоты ∆Q к величине абсолютной температуры Т назвал изменением энтропии.

 

Обратим внимание на то, что формула Клаузиуса определяет не само значение энтропии, а только её изменение.

Что же представляет собой «необратимое рассевание энергии» в термодинамике?

Одна из формулировок второго закона термодинамики выглядит следующим образом: «Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение в работу всего количества теплоты, полученного системой«. То есть часть теплоты превращается в работу, а какая-то её часть рассеивается. Этот процесс необратим. В дальнейшем рассеиваемая энергия уже не может совершать работу. Например, в реальном тепловом двигателе рабочему телу передаётся не вся теплота. Часть её рассеивается во внешнюю среду, нагревая её.

В идеальной тепловой машине, работающей по циклу Карно, сумма всех приведенных теплот равна нулю. Это утверждение справедливо и для любого квазистатического (обратимого) цикла. И неважно, из какого количества переходов из одного состояния в другое состоит такой процесс.

Если разбить произвольный термодинамический процесс на участки бесконечно малой величины, то приведенная теплота на каждом таком участке будет равна δQ/T. Полный дифференциал энтропии dS = δQ/T.

Энтропию называют мерой способности теплоты необратимо рассеиваться. Её изменение показывает, какое количество энергии беспорядочно рассеивается в окружающую среду в виде теплоты.

В замкнутой изолированной системе, не обменивающейся теплом с окружающей средой, при обратимых процессах энтропия не изменяется. Это означает, что дифференциал dS = 0. В реальных и необратимых процессах передача тепла происходит от тёплого тела к холодному. В таких процессах энтропия всегда увеличивается (dS ˃ 0). Следовательно, она указывает направление протекания термодинамического процесса.

Формула Клаузиуса, записанная в виде dS = δQ/T, справедлива лишь для квазистатических процессов. Это идеализированные процессы, являющиеся чередой состояний равновесия, следующих непрерывно друг за другом. Их ввели в термодинамику для того, чтобы упростить исследования реальных термодинамических процессов. Считается, что в любой момент времени квазистатическая система находится в состоянии термодинамического равновесия. Такой процесс называют также квазиравновесным.

Конечно, в природе таких процессов не существует. Ведь любое изменение в системе нарушает её равновесное состояние. В ней начинают происходить различные переходные процессы и процессы релаксации, стремящиеся вернуть систему в состояние равновесия.

Энтропия системы

Но термодинамические процессы, протекающие достаточно медленно, вполне могут рассматриваться как квазистатические.

На практике существует множество термодинамических задач, для решения которых требуется создание сложной аппаратуры, создание давления в несколько сот тысяч атмосфер, поддержание очень высокой температуры в течение длительного времени. А квазистатические процессы позволяют рассчитать энтропию для таких реальных процессов, предсказать, как может проходить тот или иной процесс, реализовать который на практике очень сложно.

Закон неубывания энтропии 

Второй закон термодинамики на основании понятия энтропии формулируется так: «В изолированной системе энтропия не уменьшается». Этот закон называют также законом неубывания энтропии.

Если в какой-то момент времени энтропия замкнутой системы отличается от максимальной, то в дальнейшем она может только увеличиваться, пока не достигнет максимального значения. Система придёт в состояние равновесия.

Клаузиус был уверен, что Вселенная представляет собой замкнутую систему. А раз так, то её энтропия стремится достичь максимального значения. Это означает, что когда-нибудь все макроскопические процессы в ней прекратятся, и наступит «тепловая смерть». Но американский астроном Эдвин Пауэлл Хаблл доказал, что Вселенную нельзя назвать изолированной термодинамической системой, так как она расширяется. Советский физик академик Ландау считал, что закон неубывания энтропии к Вселенной применять нельзя, так как она находится в переменном гравитационном поле. Современная наука пока не в состоянии дать ответ на вопрос, замкнутой ли системой является наша Вселенная или нет.

Принцип Больцмана

Людвиг Больцман

Любая замкнутая термодинамическая система стремится к состоянию равновесия. Все самопроизволные процессы, происходящие в ней, сопровождаются ростом энтропии. 

В 1877 г. австрийский физик-теоретик Людвиг Больцман связал энтропию термодинамического состояния с количеством микросостояний системы. Считается, что саму формулу расчёта значения энтропии позднее вывел немецкий физик-теоретик Макс Планк.

S = k· lnW,

где k= 1,38·10−23 Дж/К — постоянная Больцмана; W — количество микросостояний системы, которые реализуют данное макростатическое состояние, или число способов, которыми это состояние может быть реализовано.

Мы видим, что энтропия зависит только от состояния системы и не зависит от того, каким способом система перешла в это состояние.

Физики считают энтропию величиной, характеризующей степень беспорядка термодинамической системы. Любая термодинамическая система всегда стремится уравновесить свои параметры с окружающей средой. К такому состоянию она приходит самопроизвольно. И когда состояние равновесия достигнуто, система уже не может совершать работу. Можно считать, что она находится в беспорядке.

Энтропия характеризует направление протекания термодинамического процесса обмена теплом между системой и внешней средой. В замкнутой термодинамической системе она определяет, в каком направлении протекают самопроизвольные процессы.

Все процессы, протекающие в природе, необратимы. Поэтому они протекают в направлении увеличения энтропии. 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *