אנטרופיה, הסבר מלא

מה זה

אנטרופיה מוגדרת דרך מעבר חום הפיך: dS שווה δQ_rev חלקי T. חום שנכנס בטמפרטורה נמוכה מעלה את האנטרופיה יותר מאותו חום שנכנס בטמפרטורה גבוהה. מבחינה סטטיסטית, היא סופרת כמה סידורים מיקרוסקופיים מתאימים לאותו מצב מקרוסקופי, ולכן ערבוב, חיכוך והתפשטות חופשית מעלים אותה.

אנטרופיה היא תכונה, כמו טמפרטורה או לחץ. השינוי שלה בין שני מצבים לא תלוי במסלול, ולכן תמיד אפשר לחשב אותו לאורך מסלול הפיך דמיוני בין אותם מצבי קצה, גם כשהתהליך האמיתי היה בלתי הפיך.

החוק השני בשורה אחת

בכל תהליך, האנטרופיה שנוצרת, השינוי של המערכת ועוד השינוי של הסביבה, שווה אפס בתהליך הפיך וחיובית בכל תהליך אמיתי. היא אף פעם לא שלילית. האנטרופיה של המערכת עצמה יכולה לרדת, כמו בתא הקר של מקרר, אבל רק אם נדחפת לסביבה אנטרופיה גדולה יותר.

יצירת אנטרופיה היא עבודה שהלכה לאיבוד. כל אי־הפיכות, מחיכוך ועד חום שעובר על פני הפרש טמפרטורות סופי, הורסת חלק מהעבודה שהיה אפשר להפיק. מהנדסים עוקבים אחריה כדי למצוא איפה תחנה מבזבזת את הפוטנציאל שלה.

איפה משתמשים בזה

בדיאגרמות T–s ו־h–s, תהליך אדיאבטי הפיך הוא קו אנכי. האידיאל הזה הוא נקודת הייחוס לטורבינות, מדחסים ונחירים: הנצילות האיזנטרופית משווה את שינוי האנתלפיה האמיתי לזה שקו אנכי היה נותן.

דוגמה עם מספרים

קילו־ג׳אול אחד של חום זורם מקיר בטמפרטורה 400 K לאוויר ב־300 K. הקיר מאבד 1000/400, כלומר 2.5 J/K, והאוויר מקבל 1000/300, בערך 3.33 J/K. הסך הכול עולה בכ־0.83 J/K. המספר החיובי הזה הוא החוק השני בפעולה, וזו הסיבה שהחום לא יזרום בחזרה מעצמו.

טעויות נפוצות

• לחשב ΔS לאורך המסלול האמיתי הבלתי הפיך עם δQ/T. משתמשים במסלול הפיך בין אותם מצבים.
• להניח שתהליך אדיאבטי הוא איזנטרופי. רק תהליך אדיאבטי הפיך הוא כזה.
• לחשוב שהאנטרופיה של מערכת אף פעם לא יכולה לרדת. רק הסך הכולל, מערכת ועוד סביבה, לא יכול.