В термодинамике интерпретация энтропии как меры рассеивания энергии осуществлялась на фоне традиционного взгляда, введенного Людвигом Больцманом , на энтропию как на количественную меру беспорядка . Подход рассеивания энергии избегает двусмысленного термина « беспорядок ». Ранним сторонником концепции рассеивания энергии был Эдвард А. Гуггенхайм в 1949 году, использовавший слово «распространение». [1] [2]
В этом альтернативном подходе энтропия является мерой рассеивания или распространения энергии при определенной температуре . Изменения энтропии могут быть количественно связаны с распределением или распространением энергии термодинамической системы , деленной на ее температуру.
Некоторые педагоги предполагают, что идея рассеивания энергии более понятна, чем традиционный подход. Эта концепция использовалась для облегчения обучения энтропии студентам, начинающим изучать химию и биологию в университете .
Термин «энтропия» использовался с самого начала истории классической термодинамики , а с развитием статистической термодинамики и квантовой теории изменения энтропии стали описываться в терминах смешивания или «распределения» полной энергии каждого компонента системы по ее конкретным квантованным уровням энергии.
Такие описания, как правило, использовались вместе с общепринятыми терминами, такими как беспорядок и случайность, которые являются двусмысленными, [3] [4] [5] и чье повседневное значение противоположно тому, что они должны означать в термодинамике. Такая ситуация не только вызывает путаницу, но и затрудняет преподавание термодинамики. Студентов просили понять значения, прямо противоречащие их обычному использованию, при этом равновесие приравнивалось к «совершенному внутреннему беспорядку», а смешивание молока в кофе от кажущегося хаоса к однородности описывалось как переход от упорядоченного состояния к неупорядоченному. [ необходима ссылка ]
Описание энтропии как количества «смешанности» или «беспорядка», а также абстрактная природа статистической механики, обосновывающей это понятие, может привести к путанице и значительным трудностям для тех, кто начинает изучать этот предмет. [6] [7] Несмотря на то, что курсы делали акцент на микросостояниях и уровнях энергии , большинство студентов не могли выйти за рамки упрощенных представлений о случайности или беспорядке. Многие из тех, кто учился, практикуя вычисления, не очень хорошо понимали внутренние значения уравнений, и возникла необходимость в качественных объяснениях термодинамических соотношений. [8] [9]
Арье Бен-Наим рекомендует отказаться от слова «энтропия» , отвергая как интерпретации «рассеивания», так и интерпретации «беспорядка»; вместо этого он предлагает понятие «отсутствующей информации» о микросостояниях, рассматриваемых в статистической механике, которое он считает разумным. [10]
Увеличение энтропии в термодинамическом процессе можно описать в терминах «рассеивания энергии» и «распространения энергии», избегая при этом упоминания «беспорядка», за исключением случаев объяснения заблуждений. Все объяснения того, где и как рассеивается или распространяется энергия, были переработаны в терминах рассеивания энергии, чтобы подчеркнуть лежащее в основе качественное значение. [6]
В этом подходе второй закон термодинамики вводится как «Энергия спонтанно рассеивается от локализации к распространению, если ей не мешают это делать», часто в контексте обычных событий, таких как падение камня, остывание горячей сковороды, ржавление железа, выход воздуха из проколотой шины и таяние льда в теплой комнате. Затем энтропия изображается как сложный вид критерия «до и после» — измеряющий, сколько энергии распространяется с течением времени в результате такого процесса, как нагревание системы, или насколько широко распределена энергия после того, как что-то произошло, по сравнению с ее предыдущим состоянием, в таком процессе, как расширение газа или смешивание жидкостей (при постоянной температуре). Уравнения исследуются со ссылкой на обычные события, с акцентом на то, что в химии энергия, которую энтропия измеряет как рассеивающуюся, является внутренней энергией молекул.
Статистическая интерпретация связана с квантовой механикой в описании способа, которым энергия распределяется (квантуется) среди молекул на определенных энергетических уровнях, при этом вся энергия макросостояния всегда находится только в одном микросостоянии в один момент времени. Энтропия описывается как измерение рассеивания энергии для системы по числу доступных микросостояний, числу различных расположений всей ее энергии в следующий момент времени. Таким образом, увеличение энтропии означает большее число микросостояний для конечного состояния, чем для начального состояния, и, следовательно, больше возможных расположений полной энергии системы в любой момент времени. Здесь большее «рассеивание полной энергии системы» означает существование многих возможностей. [ необходима цитата ] [11]
Непрерывное движение и молекулярные столкновения, визуализируемые как подпрыгивающие мячи, надуваемые воздухом, как в лотерее, могут затем привести к демонстрации возможностей многих распределений Больцмана и постоянно меняющегося «распределения момента», а также к идее о том, что при изменении системы динамические молекулы будут иметь большее количество доступных микросостояний. В этом подходе все повседневные спонтанные физические события и химические реакции изображаются как включающие в себя некоторый тип потоков энергии от локализации или концентрации до распространения в большем пространстве, всегда в состояние с большим количеством микросостояний. [12]
Этот подход дает хорошую основу для понимания традиционного подхода, за исключением очень сложных случаев, когда качественное отношение рассеивания энергии к изменению энтропии может быть настолько неразрывно затуманено, что становится спорным. [12] Таким образом, в таких ситуациях, как энтропия смешивания , когда два или более различных смешиваемых вещества находятся при одинаковой температуре и давлении, так что не будет чистого обмена теплом или работой, увеличение энтропии будет обусловлено буквальным распространением энергии движения каждого вещества в большем объединенном конечном объеме. Энергичные 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 приводит к увеличению числа его доступных микросостояний. [13]
Варианты подхода рассеивания энергии были приняты в ряде студенческих текстов по химии, [ требуется ссылка ] в основном в Соединенных Штатах. Один уважаемый текст гласит:
Концепция «рассеивания энергии» была использована в статье лорда Кельвина 1852 года «О всеобщей тенденции в природе к рассеиванию механической энергии». [15] Он различал два типа или «запаса» механической энергии: «статическую» и «динамическую». Он обсуждал, как эти два типа энергии могут переходить из одной формы в другую во время термодинамического преобразования. Когда тепло создается любым необратимым процессом (таким как трение) или когда тепло распространяется за счет проводимости, механическая энергия рассеивается, и восстановить исходное состояние невозможно. [16] [17]
Используя слово «распространение», одним из первых сторонников концепции рассеивания энергии был Эдвард Арманд 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 энергетическим уровням, например, реагентами и продуктами химической реакции . [ 18]
В 1984 году физико-химик из Оксфорда Питер Аткинс в книге «Второй закон» , написанной для неспециалистов, представил нематематическую интерпретацию того, что он назвал «бесконечно непостижимой энтропией», простыми словами, описав Второй закон термодинамики как «энергия имеет тенденцию рассеиваться». Его аналогии включали воображаемое разумное существо, называемое «Демоном Больцмана», которое бегает вокруг, реорганизуя и рассеивая энергию, чтобы показать, как W в формуле энтропии Больцмана соотносится с рассеиванием энергии. Это рассеивание передается через атомные колебания и столкновения. Аткинс писал: «каждый атом несет кинетическую энергию , и рассеивание атомов распространяет энергию… поэтому уравнение Больцмана отражает аспект рассеивания: рассеивание сущностей, которые несут энергию». [19] : 78, 79
В 1997 году Джон Ригглсворт описал пространственные распределения частиц, представленные распределениями энергетических состояний. Согласно второму закону термодинамики, изолированные системы будут иметь тенденцию перераспределять энергию системы в более вероятное расположение или распределение энергии с максимальной вероятностью, т. е. от сосредоточения к распространению. В силу первого закона термодинамики общая энергия не меняется; вместо этого энергия имеет тенденцию рассеиваться по пространству, к которому она имеет доступ. [20] В своей работе 1999 года «Статистическая термодинамика » М. К. Гупта определил энтропию как функцию, которая измеряет, как рассеивается энергия, когда система переходит из одного состояния в другое. [21] Другими авторами, определяющими энтропию таким образом, который воплощает рассеивание энергии, являются Сеси Старр [22] и Эндрю Скотт. [23]
В статье 1996 года физик Харви С. Лефф изложил то, что он назвал «распространением и распределением энергии». [24] Другой физик, Дэниел Ф. Стайер , опубликовал статью в 2000 году, показывающую, что «энтропия как беспорядок» неадекватна. [25] В статье, опубликованной в 2002 году в журнале Journal of Chemical Education , Фрэнк Л. Ламберт утверждал, что изображение энтропии как «беспорядка» сбивает с толку и от него следует отказаться. Он продолжил разрабатывать подробные ресурсы для преподавателей химии, приравнивая увеличение энтропии к спонтанному рассеиванию энергии, а именно, сколько энергии распространяется в процессе или насколько широко она рассеивается – при определенной температуре. [6] [26]