لفهم الديناميكا الحرارية ، يعتبر المحتوى الحراري والإنتروبيا مفهومين أساسيين لا يمكن لأحد أن يفوتهما. إن معرفة الفرق بين المحتوى الحراري والإنتروبيا لا يساعدنا فقط على اجتياز اختبار العلم لدينا ، ولكنه يوفر أيضًا تفسيرًا منطقيًا للعديد من العمليات التي نشهدها في حياتنا اليومية. من المراحل المتغيرة إلى نقل الطاقة في حالة واحدة ، يمكن للديناميكا الحرارية أن تشرح كل ذلك.
المحتوى الحراري مقابل الانتروبيا
يتمثل الاختلاف بين المحتوى الحراري والإنتروبيا في أن المحتوى الحراري هو قياس إجمالي الطاقة للنظام وهو مجموع الطاقة الداخلية ومنتج الضغط والحجم. من ناحية أخرى ، الانتروبيا هي كمية الطاقة الحرارية في نظام غير متاح لتحويله إلى عمل.
يتم تعريف المحتوى الحراري للنظام الديناميكي الحراري على أنه دالة حالة يتم حسابها عند ضغط ثابت (جو مفتوح كبير). وحدة المحتوى الحراري هي نفسها الطاقة ، أي J في وحدة النظام الدولي SI لأنها مجموع الطاقة الداخلية للنظام ومنتج الضغط والتغير في الحجم. لا يمكن قياس المحتوى الحراري الكلي للنظام بشكل مباشر. لذلك ، نقيس التغيير في المحتوى الحراري للنظام.
بكلمات بسيطة ، الإنتروبيا هي مقياس العشوائية أو الفوضى في النظام. إنها خاصية واسعة النطاق مما يعني أن قيمة الإنتروبيا تتغير وفقًا لكمية المادة الموجودة في النظام. إذا كان النظام مرتبًا بدرجة عالية (أقل فوضوية) ، فإنه يحتوي على نسبة منخفضة من الإنتروبيا والعكس صحيح. وحدة الانتروبيا في النظام الدولي للوحدات هي J⋅K−1.
جدول المقارنة بين المحتوى الحراري والانتروبيا
| معلمات المقارنة | الطاقة الداخلية الكامنة | غير قادر علي |
| تعريف | المحتوى الحراري هو مجموع الطاقة الداخلية ومنتج الضغط والحجم للنظام الحراري الديناميكي. | الانتروبيا هو مقدار الطاقة الحرارية لنظام غير متاح للتحويل إلى عمل ميكانيكي أو مفيد. |
| قياس | لا يمكن قياس المحتوى الحراري الكلي للنظام بشكل مباشر ومن ثم نحسب التغير في المحتوى الحراري. | يشير قياس إنتروبيا النظام إلى مقدار الفوضى أو الفوضى الموجودة في النظام الديناميكي الحراري. |
| وحدة | إن المحتوى الحراري في النظام الدولي للوحدات هو نفس وحدة الطاقة وبالتالي يمكن قياسها في J. | وحدة SI الخاصة بالانتروبيا لوحدة الكتلة هي J⋅K−1⋅ كجم−1 وللإنتروبيا لكل وحدة كمية من المادة هي J⋅K−1⋅ مول−1. |
| رمز | يتم الإشارة إلى المحتوى الحراري بواسطة H. | يتم الإشارة إلى الانتروبيا بواسطة S. |
| تاريخ | ابتكر عالم يُدعى Heike Kamerlingh Onnes مصطلح "المحتوى الحراري". | ابتكر عالم فيزيائي ألماني يُدعى رودولف كلاوزيوس مصطلح "إنتروبيا". |
| تفضيل الشروط | يفضل النظام الديناميكي الحراري دائمًا الحد الأدنى من المحتوى الحراري. | يفضل النظام الديناميكي الحراري دائمًا الحد الأقصى من الانتروبيا. |
ما هو المحتوى الحراري؟
المحتوى الحراري هو خاصية ديناميكية حرارية تشير إلى مجموع الطاقة الداخلية ومنتج الضغط والحجم للنظام. يشير المحتوى الحراري للنظام إلى قدرته على إطلاق الحرارة ، وبالتالي فهو يحتوي على نفس وحدة الطاقة (جول ، سعرات حرارية ، إلخ). يتم الإشارة إلى المحتوى الحراري بواسطة H.
لا يمكن حساب المحتوى الحراري الكلي لنظام ما لأنه من المستحيل معرفة نقطة الصفر. لذلك ، يتم حساب التغيير في المحتوى الحراري بين حالة وأخرى عندما يكون الضغط ثابتًا. صيغة المحتوى الحراري هي H = E + PV حيث E هي الطاقة الداخلية للنظام ، و P هو الضغط ، و V هو الحجم.
هناك الكثير من الأهمية للمحتوى الحراري في النظام الديناميكي الحراري لأنه يحدد ما إذا كان التفاعل الكيميائي ماصًا للحرارة أم طاردًا للحرارة. يتم استخدامه أيضًا لحساب حرارة التفاعل ، والحد الأدنى من متطلبات الطاقة للضاغط ، إلخ.
ما هو الانتروبيا؟
الانتروبيا هي خاصية واسعة النطاق وهي مقياس العشوائية أو الفوضى في نظام الديناميكا الحرارية. تتغير قيمة الانتروبيا مع التغيير في مقدار المادة في النظام. يُرمز إلى الانتروبيا بالرمز S والوحدات المشتركة للإنتروبيا هي جول لكل كيلفن J⋅K−1 أو J⋅K−1⋅ كجم−1 للإنتروبيا لكل وحدة كتلة. نظرًا لأن الانتروبيا تقيس العشوائية ، فإن النظام عالي الترتيب لديه نسبة منخفضة من الانتروبيا.
هناك عدة طرق لحساب إنتروبيا النظام. ولكن ، هناك طريقتان من أكثر الطرق شيوعًا هما حساب إنتروبيا عملية قابلة للعكس وعملية متساوية الحرارة. لحساب إنتروبيا عملية عكسية ، الصيغة هي S = kB ln W حيث kB هو ثابت بولتزمان وقيمته تساوي 1.38065 × 10-23 J / K و W هو عدد الحالات الممكنة. لحساب إنتروبيا عملية متساوية الحرارة ، تكون الصيغة ΔS = ΔQ / T حيث ΔQ تشير إلى التغير في الحرارة و T هي درجة الحرارة المطلقة للنظام في كلفن.
إن ذوبان الجليد في الماء متبوعًا بتبخيره إلى بخار هو مثال على زيادة الفوضى وتقليل الانتروبيا. عندما يكتسب مكعب الثلج طاقة ، تعمل الطاقة الحرارية على تفكيك هيكله لتكوين سائل وبالتالي تزيد الفوضى في النظام. يحدث شيء مشابه عندما يتحول السائل إلى حالة بخار. ولكن ، أثناء التركيز على النظام ، تقل الانتروبيا بينما تزداد إنتروبيا البيئة المحيطة.
الاختلافات الرئيسية بين المحتوى الحراري والانتروبيا
استنتاج
إن فهم الفرق بين المحتوى الحراري والإنتروبيا مهم جدًا لإيجاد سبب للعديد من العمليات في الطبيعة. من ذوبان الجليد إلى حل مشاكل الديناميكا الحرارية المعقدة ، يتم تطبيق المفاهيم الأساسية للأنتالبي والإنتروبيا.
لكن المحتوى الحراري لا يمكن حسابه بشكل مباشر لذلك نحسب تغيره بين مرحلتين. من ناحية أخرى ، يتم حساب الانتروبيا على أنها درجة العشوائية في النظام. عندما يكتسب النظام الطاقة ، يزداد الاضطراب ، وتنخفض الإنتروبيا ، والعكس صحيح.
