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Entropie

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L’entropie est un principe fondamental de thermodynamique utilisé pour décrire le transfert de chaleur dans un système.

Le terme entropie est souvent considérée comme une mesure de « désordre » d’un système et la deuxième loi des États de thermodynamique que si le système subit un processus irréversible, alors que l’entropie du système sera toujours augmenter.

Penser à gaz piégé dans un contenant d’un volume connu, de pression et de température. Les molécules de gaz peuvent avoir un grand nombre de configurations possibles. Si le contenant est ouvert, les molécules de gaz s’échapper et le nombre de configurations augmente de façon spectaculaire, essentiellement approche l’infini. Donc S, ce qui dénote l’entropie, certainement augmenté après l’ouverture du conteneur. Ainsi, ΔS, ou le changement d’entropie, est supérieur à zéro.

De même, entropie augmente également lorsque l’eau chaude est laissé à la température ambiante et laisser refroidir. Dans cette vidéo, Nous illustrerons comment mesurer la variation d’entropie d’un système au cours de ces expériences de refroidissement.

Avant d’apprendre à faire l’expérience et de recueillir des données, nous allons apprendre certaines lois et les équations qui permettent de calculer le taux de changement de la température et augmentation de l’entropie au cours d’expériences de refroidissement.

Loi de refroidissement de Newton stipule que le taux de variation de température d’un objet est proportionnel à la différence entre sa propre température et celle des environs. À l’aide de calcul, cette relation peut être convertie dans cette équation, où minuscules t représente la durée, Ts indique la température de l’environnement, T0 est la température initiale, et k est une constante qui dépend des caractéristiques de l’objet et de ses environs.

À l’aide de cette équation, on peut calculer la température d’un système de refroidissement à tout moment si toutes les autres variables sont connues. Cette équation montre également que la température est une fonction exponentielle du temps. Ainsi, lorsqu’un objet chaud, comme un verre d’eau chaude, est placé dans un environnement plus frais, sa température diminue à un rythme exponentiel jusqu'à ce qu’il atteigne la température de l’environnement.

Maintenant, voyons comment calculer la variation de l’entropie, ou ΔS. Nous allons revenir au quand l’eau était chaude.

Quand on parle d’entropie, nous devons d’abord définir le système. Ici, le système est le verre de l’eau, plus l’air de la pièce. Donc la variation d’entropie du système, ou Δannéeprécédentepar est une somme de la variation entropies de ces différentes composantes. Mathématiquement, le changement d’entropie est défini sous forme de chaleur gagnée ou perdue, notée Q, divisée par la température.

Dans ce scénario, nous savons que chaleur quitte l’eau, donc ΔS de l’eau diminue. Au contraire, l’air ambiant gains de chaleur. Par conséquent, airSΔ augmente. De la seconde loi de la thermodynamique, nous savons que le changement entropique du système complet doit être positif.

Maintenant nous allons voir comment effectuer une expérience pour tester ces prédictions théoriques de Newton Loi de refroidissement et la deuxième loi de la thermodynamique.

Pour commencer, remplissez un grand bécher avec entre 500 mL pour un L d’eau. Placer le bécher sur une plaque de cuisson et chauffer l’eau à ébullition. Une fois que l’eau bout, éteindre l’élément chauffant.

Puis, soigneusement retirer le becher de la plaque chauffante et placez-la sur la table sur le dessus de serviettes en papier. L’essuie-tout servira d’isolation entre l’eau et la table cool. Mesurer la température de l’eau avec le thermomètre.

Démarrer le chronomètre et noter la température de l’eau chaque minute pendant les 20 premières minutes.

Pour les 20 prochaines minutes, noter la température toutes les 5 minutes.

Arrêtez de prendre des mesures lorsque l’eau est venu près de la température ambiante. Puis, tracer les points de données dans un graphique de la température de l’eau par rapport au temps.

Maintenant nous allons analyser les données obtenues. La température initiale de l’eau était de 100 degrés, à 35 minutes, la température est descendue à 50,6, et l’endroit où la température était de 28,5 degrés. Branchez ces valeurs dans la Loi de refroidissement de Newton et résoudre pour le refroidissement constante k.

Maintenant en utilisant la valeur calculée pour k, tracer l’équation comme une fonction continue. Si nous posons nos points de données mesurées sur ce graphique, nous pouvons voir que les fonctions expérimentales et théoriques suivent une trajectoire presque identique.

Maintenant nous allons parler de l’entropie. Comme nous le savons, le changement total de l’entropie, ou delta S, est égal à la variation d’entropie pour l’eau, plus la chambre.

Le changement d’entropie est égal à Q, ou la quantité de chaleur transférée de l’eau chaude à l’air, divisée par T, de sorte que le changement d’entropie peut être calculé si Q est connue.

Q peut être calculée en utilisant la relation entre la masse, m, chaleur spécifique, c et aux changements de température en Kelvin, delta T. en utilisant les valeurs de l’eau la quantité de chaleur dégagée par l’eau, Q peut être calculé et utilisé pour résoudre pour delta S.

Ainsi, les données expérimentales montrent que l’entropie du système total a augmenté puisque la chaleur a été transférée de l’eau pour les molécules d’air dans la pièce. Cela valide la deuxième loi de la thermodynamique.

Entropie et la seconde loi de la thermodynamique décrivent un large éventail d’occurrences dans la nature et du génie.

Un réfrigérateur est essentiellement une pompe à chaleur et élimine la chaleur d’un endroit à une température inférieure, la source de chaleur et il transfère vers un autre emplacement, le dissipateur de chaleur, à une température plus élevée.

Selon la seconde loi, chaleur ne peut pas spontanément circuler d’un endroit froid à un plus chaud. Ainsi, travail, ou énergie, est nécessaire pour la réfrigération.

Un feu de camp est un autre exemple de variations d’entropie dans la vraie vie. Le bois massif, utilisé comme carburant brûle et se transforme en un tas désordonné des cendres. En outre, les molécules d’eau et de dioxyde de carbone sont libérés.

Les atomes dans les vapeurs s’étale dans un nuage en expansion, avec des arrangements désordonnées infinies. Ainsi, la variation d’entropie de la combustion du bois est toujours positive.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE d’entropie et de la deuxième loi de la thermodynamique. Vous devez maintenant comprendre le concept de base de l’entropie, de Newton Loi du refroidissement et des exemples de variations d’entropie dans la vie quotidienne. Merci de regarder !

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