Интерпретация энтропии как меры рассеяния энергии была осуществлена на фоне традиционного взгляда, введенного Людвигом Больцманом , на энтропию как количественную меру беспорядка . Подход с распределением энергии избегает двусмысленного термина «беспорядок». Первым сторонником концепции рассеивания энергии был Эдвард Арман Гуггенхайм в 1949 году, употребивший слово «распространение». [1] [2]
В этом альтернативном подходе энтропия является мерой рассеивания или разброса энергии при определенной температуре . Изменения энтропии могут быть количественно связаны с распределением или распределением энергии термодинамической системы, деленной на ее температуру .
Некоторые преподаватели полагают, что идею рассеивания энергии легче понять, чем традиционный подход. Эта концепция была использована для облегчения обучения энтропии студентам, начинающим факультет химии и биологии .
Сравнение с традиционным подходом
Термин «энтропия» использовался с самого начала истории классической термодинамики , а с развитием статистической термодинамики и квантовой теории изменения энтропии описывались в терминах смешивания или «распространения» полной энергии каждого компонента. системы по ее конкретным квантованным уровням энергии.
Такие описания, как правило, используются вместе с обычно используемыми терминами, такими как беспорядок и случайность, которые неоднозначны [3] [4] [5] и чье повседневное значение противоположно тому, что они предназначены для обозначения в термодинамике. Эта ситуация не только вызывает путаницу, но и затрудняет преподавание термодинамики. Студентов просили уловить значения, прямо противоречащие их нормальному использованию, причем равновесие приравнивалось к «идеальному внутреннему беспорядку», а смешивание молока с кофе от очевидного хаоса к однородности описывалось как переход от упорядоченного состояния к неупорядоченному состоянию. [ необходима цитата ]
Описание энтропии как количества «беспорядка» или «беспорядка», а также абстрактная природа статистической механики, обосновывающей это понятие, могут привести к путанице и значительным трудностям для тех, кто начинает изучение предмета. [6] [7] Несмотря на то, что курсы делали упор на микросостояниях и уровнях 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 потребность в качественных объяснениях термодинамических соотношений. [8] [9]
Арие 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 с помощью терминов «рассредоточение энергии» и «распространение энергии», избегая при этом упоминания «беспорядка», за исключением случаев объяснения неправильных представлений. Все объяснения того, где и как рассеивается или распространяется энергия, были переработаны с точки зрения рассеивания энергии, чтобы подчеркнуть лежащий в основе качественный смысл. [6]
В этом подходе вводится второй закон термодинамики : «Энергия самопроизвольно рассеивается от локализации до распространения, если ей не препятствуют в этом», часто в контексте обычных переживаний, таких как падение камня, раскаленная сковорода. остывание, ржавчина железа, выход воздуха из проколотой шины и таяние льда 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 предыдущим состоянием, например, в процессе 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, больше возможных вариантов общей энергии системы в любой момент. Здесь больший «разброс полной энергии системы» означает наличие многих возможностей. [ необходима цитата ] [11]
Непрерывное движение и молекулярные столкновения, визуализируемые как прыгающие шары, раздуваемые воздухом, как используется в лотерее, могут затем привести к демонстрации возможностей многих распределений Больцмана и постоянно меняющегося «распределения момента», а также к идее, что когда система изменения, 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]
Этот подход обеспечивает хорошую основу для понимания традиционного подхода, за исключением очень сложных случаев, когда качественная связь между дисперсией энергии и изменением энтропии может быть настолько неразрывно скрыта, что остается спорной. [12] Таким образом, в таких ситуациях, как энтропия смешения, когда два или более различных вещества, смешиваемых при одинаковой температуре и давлении, не будет чистого обмена теплом или работой, увеличение энтропии будет происходить из-за буквального распространения из двигательной энергии каждого вещества в большем объединенном конечном объеме. 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 во многих учебных курсах по химии, [ цитата необходима ] в основном в Соединенных Штатах. В одном уважаемом тексте говорится:
- Концепция числа микросостояний делает количественные нечеткие 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 «рассеяние энергии» было использовано в статье лорда Кельвина 1852 года «Об универсальной тенденции в природе к рассеянию 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 тепло создается каким-либо необратимым процессом (например, трением) или когда тепло распространяется за счет теплопроводности, механическая энергия рассеивается, и невозможно восстановить исходное состояние. [16] [17]
Используя слово «распространение», одним из первых защитников концепции рассредоточения энергии был Эдвард Арман Гуггенхайм . [1] [2] В середине 1950-х годов, с развитием квантовой теории , исследователи начали говорить об изменениях энтропии в терминах смешивания или «распространения» полной энергии каждого компонента системы по ее конкретным квантованным уровням энергии. , например, с помощью реагентов и продуктов в виде химической реакции . [18]
В 1984 году оксфордский физико-химик Питер Аткинс в книге «Второй закон» , написанной для непрофессионалов, представил нематематическую интерпретацию того, что он назвал «бесконечно непостижимой энтропией», простыми словами, описав Второй закон термодинамики как «энергия стремится к рассеивать". Его аналогии включали воображаемое разумное существо, называемое «Демоном Больцмана», которое бегает вокруг реорганизации и рассеивания энергии, чтобы показать, как W в формуле энтропии Больцмана относится к дисперсии энергии. Эта дисперсия передается через атомные колебания и столкновения. Аткинс писал: «каждый атом несет кинетическую энергию , и распространение атомов приводит к распространению энергии… поэтому уравнение Больцмана отражает аспект рассеивания: рассеивание сущностей, переносящих энергию». [19] ( 78,79 стр. )
В 1997 году Джон Ригглсворт описал пространственные распределения частиц, представленные распределениями энергетических состояний. Согласно второму закону термодинамики изолированные системы будут стремиться перераспределять энергию системы в более вероятное расположение или распределение энергии с максимальной вероятностью, то есть от сосредоточения к распределению. Согласно Первому закону термодинамики полная энергия не изменяется; вместо этого энергия имеет тенденцию рассеиваться по пространству, к которому у нее есть доступ. [20] В своей « Статистической термодинамике» 1999 г. М.К. 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 рассеяние 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 в 2000 году статью, показывающую, что «энтропия как беспорядок» неадекватна. [25] В статье, опубликованной в Journal of Chemical Education 2002 года , Фрэнк Л. Ламберт утверждал, что представление 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
- Энтропия
- Энтропия (порядок и беспорядок)
- Введение в энтропию
Рекомендации
- ^ а б Дагдейл, JS (1996). Энтропия и ее физическое значение , Taylor & Francis, London, ISBN 0748405682 , Dugdale цитирует только Guggenheim, на странице 101.
- ^ a b Гуггенхайм, EA (1949), Статистическая основа термодинамики, Research: A Journal of Science and its Applications , 2 , Butterworths, London, pp. 450–454.
- ^ Денби К. (1981). Принципы химического равновесия: с приложениями в химии и химической инженерии . Лондон: Издательство Кембриджского университета. С. 55–56.
- Перейти ↑ Jaynes, ET (1989). Раскрытие тайн - первоначальная цель в книге «Максимальная энтропия и байесовские методы» , Дж. Скиллинг, редактор, Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, стр. 1-27, стр. 24.
- ^ Гранди, Уолтер Т. младший (2008). Энтропия и временная эволюция макроскопических систем . Издательство Оксфордского университета. С. 55–58. ISBN 978-0-19-954617-6.
- ^ a b c Фрэнк Л. Ламберт, 2002, « Беспорядок - треснувший костыль для поддержки дискуссий об энтропии », Journal of Chemical Education 79: 187. Обновленная версия находится здесь. Архивировано 24 апреля 2014 года в Wayback Machine.
- ^ Франк Л. Ламберт, « Второй закон термодинамики (6). [ Постоянная мертвая ссылка ] »
- ↑ Carson, EM, and Watson, JR, (Департамент образовательных и профессиональных исследований, Королевский колледж, Лондон), 2002 г., « Понимание студентами энтропии и свободной энергии Гиббса », Университетское химическое образование - документы 2002 г., Королевское химическое общество .
- ^ Созбилир, Мустафа, докторские исследования: Турция, Исследование понимания студентами ключевых химических идей в термодинамике , доктор философии. Диссертация, Департамент педагогических исследований, Йоркский университет, 2001 г.
- ^ Обзор "Энтропия и второй закон: интерпретация и неправильные интерпретации" в Chemistry World
- ^ Франк Л. Ламберт, Молекулярная основа для понимания простого изменения энтропии
- ^ a b Фрэнк Л. Ламберт, Энтропия проста, качественно
- ^ Франк Л. Ламберт, Заметки для «Разговора об энтропии» : краткое обсуждение как термодинамической, так и «конфигурационной» («позиционной») энтропии в химии.
- ^ Аткинс, Питер ; де Паула, Хулио (2006). Физическая химия (8-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-870072-5.
- ^ Дженсен, Уильям. (2004). « Энтропия и ограничение движения ». Журнал химического образования (81) 693, май
- ^ Томсон, Уильям (1852). « Об универсальной тенденции природы к рассеиванию механической энергии ». Труды Эдинбургского королевского общества , 19 апреля.
- ^ Томсон, Уильям (1874). « Кинетическая теория рассеяния энергии », Nature IX: 441-44. (9 апреля).
- ^ Денби, Кеннет (1981). Принципы химического равновесия, 4-е изд . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-28150-4.
- ^ Аткинс, Питер (1984). Второй закон . Научная американская библиотека. ISBN 0-7167-5004-X.
- ^ Ригглсворт, Джон (1997). Энергия и жизнь (модули в науках о жизни) . CRC. ISBN 0-7484-0433-3. (см. отрывок)
- ^ Гупта, MC (1999). Статистическая термодинамика . Издатели Нью Эйдж. ISBN 81-224-1066-9. (см. отрывок)
- ^ Старр, Сеси; Таггарт, Р. (1992). Биология - единство и разнообразие жизни . ISBN издательства Wadsworth Publishing Co. 0-534-16566-4.
- ^ Скотт, Эндрю (2001). 101 Ключевые идеи в химии . Учите себя книгам. ISBN 0-07-139665-9.
- ^ Лефф, HS, 1996, "Термодинамическая энтропия: распространение и разделение энергии", Am. J. Phys. 64: 1261-71.
- ^ Styer DF, 2000, Am. J. Phys. 68: 1090-96.
- ^ «Студенческий подход ко второму закону и энтропии» . 2009-07-17. Архивировано из оригинала 17 июля 2009 года . Проверено 12 декабря 2014 .
дальнейшее чтение
- 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 - документы 2002 г., Королевское химическое общество.
- Фрэнк Л. Ламберт, 2002, « Беспорядок - сломанный костыль для поддержки энтропийных дискуссий », Журнал химического образования 79 : 187-92. Обновленная версия здесь.
- Лефф, Харви С. (2007). «Энтропия, ее язык и интерпретация» (PDF) . Найдено Phys . Springer. 37 (12): 1744–1766. Bibcode : 2007FoPh ... 37.1744L . DOI : 10.1007 / s10701-007-9163-3 . S2CID 3485226 . Проверено 24 февраля +2016 .
Тексты, использующие метод рассеивания энергии
- Аткинс, П. У., Физическая химия для наук о жизни . Издательство Оксфордского университета, ISBN 0-19-928095-9 ; WH Freeman, ISBN 0-7167-8628-1
- Бенджамин Гал-Ор, "Космология, физика и философия", Springer-Verlag, Нью-Йорк, 1981, 1983, 1987 ISBN 0-387-90581-2
- Bell, J., et al. , 2005. Химия: общий химический проект Американского химического общества , 1-е изд. WH Freeman, 820pp, ISBN 0-7167-3126-6
- Брэди, Дж. Э. и Ф. Сенез, 2004. Химия, вещество и его изменения , 4-е изд. Джон Вили, 1256pp, ISBN 0-471-21517-1
- Браун, Т.Л., HE LeMay, и Б.Е. Бурстен, 2006. Химия: Центральная наука , 10-е изд. Прентис Холл, 1248pp, ISBN 0-13-109686-9
- Эббинг, Д.Д., и С.Д. Гаммон, 2005. Общая химия , 8-е изд. Хоутон-Миффлин, 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-е изд.
- Муг, Спенсер и Фаррелл. Термодинамика, управляемый запрос .
- Мур, JW, CL Stanistski, PC Jurs, 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 материи и изменений , 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
Внешние ссылки
- добро пожаловать на энтропизит. Большой веб-сайт, поддерживаемый Фрэнком Л. Ламбертом, со ссылками на работы над подходом к энтропии с использованием дисперсии энергии.
- « Второй закон термодинамики (6) ».