Изменение энтропии в необратимом процессе

Вы правильно говорите: обратимый и адиабатический процесс между двумя состояниями,$A$и$B$, не изменяет энтропию ни системы, ни ее окружения (окружения). Необратимый и адиабатический процесс между двумя состояниями,$A'$и$B'$, увеличивает энтропию системы. Два утверждения примиряются, отмечая, что если$A=A'$затем$B\ne B'$и наоборот.

Другой способ сказать то же самое состоит в том, что необратимый и адиабатический цикл невозможен. На самом деле это утверждение почти эквивалентно аксиоме Каратеодори (стандартная формулировка 2-го закона), а именно, что в любой окрестности любого состояния есть состояния, недоступные посредством чисто адиабатического процесса.

Кажущаяся односторонность этого является вербальным выражением возрастающей функции энтропии, существование которой является ее математическим следствием. Вы можете ощущать физическую интуицию увеличения энтропии как проявления избыточной работы, затрачиваемой на компенсацию необратимости процесса достижения определенного состояния.

Существует общая формула для определения изменения энтропии между двумя состояниями:$A$и$B$, системы, которая:

$$\begin{equation} \Delta S_{A \rightarrow B} = \int_{\Gamma^{rev}(A \rightarrow B)} \: \frac{\delta Q_{rev}(\Gamma)}{T} \end{equation}$$

Эта формула утверждает, что изменение энтропии системы между состояниями$A$и$B$всегда (даже для необратимых «реальных» преобразований) можно получить интегралом от$\delta Q_{rev}/T$по любому обратимому пути, идущему от$A$к$B$.

Например, путь может быть комбинацией изотермических, изобарических и изотермических превращений; не имеет значения, пока путь идет от$A$к$B$.

Если рассматривать начальное состояние$A$который подвергается либо:

• обратимое адиабатическое преобразование в состояние$B_r$

• необратимое адиабатическое преобразование в состояние$B_i$

Затем, по определению терминов обратимый и необратимый и тому факту, что энтропия является функцией состояния, вы знаете (как подчеркнул пользователь 31748), что$B_r$должно быть состояние, отличное от$B_i$.

В том то и суть реального превращения (в вашем примере это часто монобарическое и адиабатическое превращение), что можно узнать состояние$B_i$и посмотрите, насколько он отличается от$B_r$.

В частности, в приведенной выше формуле вы можете видеть, что изменение энтропии между изобарическим и адиабатическим преобразованием по сравнению с монобарическим и адиабатическим преобразованием точно равно:

$$\begin{equation} \Delta S_{A \rightarrow B_i} = \Delta S_{B_r \rightarrow B_i} \int_{\Gamma^{rev}(B_r \rightarrow B_i)} \: \frac{\delta Q_{rev}(\Gamma)}{T} \end{equation}$$

для любого обратимого пути, идущего из$B_r$к$B_i$.

Но когда я проведу его через адиабатический обратимый процесс до того же состояния, что и в необратимом процессе,

Вы предполагаете, что это возможно, но никому это не удалось. Если бы кто-то это сделал, это противоречило бы второму закону термодинамики по упомянутой вами причине.

Энтропия — это функция состояния, правильно! Но сама энтропия зависит от того, как вы попали в это состояние (конечное состояние).

В термодинамике энтропия считается качеством тепла (тепло/холодность), тогда как температура считается количеством/степенью тепла (горячо/холодно).

Обратимые процессы (и адиабатические, т.е. отсутствие теплообмена) не мешают внутренней структуре и вероятности предсказуемости состояний каждой молекулы системы.

Тогда как необратимые процессы определенно изменяют внутреннюю структуру состояний/положений молекул системы (или вы можете сказать, что молекулы после необратимой обработки уже не остаются такими уж предсказуемыми). Именно поэтому такие процессы в первую очередь называются необратимыми.

Понятие энтропии не является интуитивным. Хотя, если вы, например, рассматриваете кондиционер, то в ребрах испарителя кондиционера вы обнаружите, что в основном обменивается энтропия, а не температура. Поскольку происходит обмен энтропией (энтропия подобна всасыванию хладагента из комнатного воздуха), температура комнатного воздуха автоматически понижается, а хладагента (рабочего тела) повышается. Хладагент из холодной жидкой формы становится перегретым (потому что он как бы всасывает энтропию из помещения). Эта единственная ветвь процесса (из всего холодильного цикла) является изотермической, т.е. имеет постоянную температуру. Но при этом энтропия делает свое дело и охлаждает воздух в помещении.

Хотя этот пример может быть не идеальным, он помог мне понять концепцию энтропии. Теперь я понимаю, что есть не только температура (количество/степень тепла/холодности), но и энтропия (качество тепла/холодности).

Позвольте мне объяснить это простыми словами без уравнений.

Когда у вас есть закрытая система в состоянии A, вы должны использовать энергию, чтобы преобразовать ее в состояние B. Если бы процесс перехода из состояния A в состояние B не требовал энергии, система уже находилась бы в состоянии B.

Теперь, когда у вас есть система в состоянии B и вы хотите вернуть ее в состояние A, вам снова придется использовать энергию для этой цели.

Это использование энергии для изменения состояния системы и увеличивает энтропию. Чем меньше приложенной энергии, тем меньше изменение энтропии, но поскольку вы всегда должны расходовать энергию, даже если очень мало, энтропия будет меняться вместе с ней.