Entropia
Clausius a introdus o noua functie de stare pe care a numit-o entropie dupa grecescul en-tropein care are semnificatia de a transforma. Pentru procese reversibile este definita de relatia
dS = δQ/T; [S]
si = J/K.
Fiind o diferentiala totala inseamna ca entropia este o functie de stare. Cum δQ nu este o diferentiala totala exacta, adica δQ nu este o marime fizica de stare, ci o marime de proces ca si lucrul mecanic, rezulta ca 1/T are rolul unui factor integrant pentru caldura Q. Variatia entropiei, in cursul unei transformari reversibile intre doua stari A si B, nu depinde decat de starea initiala si de cea finala si deci, se poate exprima prin
∫δQ/T = S
B - S
A.
Functia S
A este o marime caraceristica starii A, iar functia S
B este o marime caracteristica starii B, deci fiecarei stari ii va corespunde o valoare bine determinata a entropiei. Prin urmare, entropia este o marime de stare, deoarece caracterizeaza fiecare stare de echilibru a sistemului. Daca se tine seama de formula de definitie in cazul proceselor reversibile, atunci δQ = TdS si primul principiu dU = δQ - pdV devine:
dU = TdS - pdV, care reprezinta ecuatia fundamentala a termodinamicii.
Semnificatia practica a entropiei petru ingineria masinilor termice rezulta din analiza celui mai simplu ciclu cvasistatic
reversibil, denumit de Clapeyron care l-a studiat in detaliu, ciclul lui Carnot, in cinstea fizicianului francez Sadi Carnot.
Acest proces ciclic se compune din doua transformari izoterme si doua transformari adiabatice.
ΔS = |Q
1|/T
1, pentru destinderea izoterma la temperatura T
1
ΔS
2 = 0, pentru destinderea adiabatica Q = 0
ΔS
3 = - |Q
2|/T
2, pentru comprimarea izoterma la temperatura T
2
ΔS
4 = 0, pentru comprimarea adiabatica Q = 0
Entropia fiind o functie de stare, iar in procesele ciclice starea finala coincide cu starea initiala, urmeaza ca variatia entropiei pe intreg ciclu este zero.
|Q
1|/T
1 - |Q
2|/T
2 = 0
sau |Q
2|/|Q
1| = T
2/T
1
sau 1 - |Q
2|/|Q
1| = 1 - T
2/T
1 = η
Concluzii:
-In expresia randamentului nu apare nici o marime specifica substantei de lucru (randamentul ciclului Carnot este independent de natura sistemului);
- Ciclul Carnot este un ciclu biterm, adica sistemul schimba caldura cu doua surse de caldura;
- Randamentul este intotdeauna subunitar si cu atat mai mare cu cat diferenta dintre temperatura sursei calde T
1 si temperatura sursei reci T
2 este mai mare.
Daca ciclul Carnot este ireversibil, randamentul este mai mic decat pentru un ciclu Carnot reversibil, adica
[Q
1 - Q
2]/Q
1 < [ T
1 - T
2]/T
1
|Q
1|/T
1 - |Q
2|/T
2 < 0
∫δQ/T < 0
sau ∫δQ/T ≤ 0
In procese reversibile cu absorbtie de caldura, entropia creste, iar daca sistemul cedeaza caldura, entropia scade.
Intr-o transformare adiabatica a unui sistem izolat, entropia ramane constanta.
Intr-un sistem izolat, entropia sistemului creste daca transformarile suferite sunt ireversibile. Principiul al doilea al termodinamicii se mai enunta in felul urmator:
Procesele ireversibile intr-un sistem inchis sunt insotite intotdeauna de cresterea entropiei.
Cresterea entropiei nu este nelimitata, ea creste numai pana la o limita maxima, caracteristica pentru sistemul dat, dupa care se opreste la echilibru.
Semnificatia statistica a entropiei. Relatia entropiei cu conceptul statistic de ordine si dezordine a fost stabilita de Boltzmann si Gibbs. Ea este o relatie cantitativa exprimata
prin
S = k·log·D,
unde k este numita constanta lui Boltzmann
(k = 3,2983·10-24cal./grd), iar D este masura cantitativa a dezordinii atomilor in corpul dat. De exemplu dizolvarea zaharului in apa: difuzia treptata a zaharului in toata apa disponibila mareste dezordinea D si deci si entropia (intrucat logaritmul lui D creste odata cu D)
Nucleele stabile din natura au numarul de masa 92 ≥ A ≥ 1. Nucleele cu numarul de masa A > 92 sunt obtinute pe cale artificiala
si sunt instabile. Acestea se dezintegreaza emitand particule 24α, β+ sau β-.
Prin dezintegrarea unui uncleu greu numarul de masa scade obtinandu-se un nucleu cu masa intermediara care are energia de legatura pe nucleon
mare (B = Wℓeg/A). Nuclee stabile se obtin nu numai prin dezintegrarea sau fisionarea nucleelor grele, ci si prin unirea
nucleelor usoare de la inceputul sistemului periodic: 12H si 13H numite reactii de fuziune,
cand energia de legatura pe nucleon (B) creste.
Fuziunea nu se observa in mod spontan pe Pamant datorita fortelor electrostatice de respingere foarte mari care se exercita intre nucleele care interactioneaza.
Reactiile de fuziune sunt posibile la temperaturi foarte ridicate degajandu-se o mare cantitate de energie.
