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Entropie

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Entropie ist eine thermodynamische Grundprinzip zur Wärmeübertragung in einem System zu beschreiben.

Der Begriff, den Entropie oft als ein Maß für die "Störung" eines Systems und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Zustände, die gilt wenn das System einen unumkehrbaren Prozess unterzogen wird, dann wird die Entropie des Systems immer zu erhöhen.

Denken Sie an Gas in einem Behälter mit bekanntem Volumen, Druck und Temperatur. gefangen Die Gasmoleküle haben eine enorme Anzahl von möglichen Konfigurationen. Wenn der Container geöffnet wird, die Gasmoleküle entkommen und die Anzahl der Konfigurationen steigt dramatisch, im wesentlichen nähert sich unendlich. Daher erhöht S, die Entropie bezeichnet, auf jeden Fall nach dem Öffnen des Behälters. So, ΔS, oder die Änderung der Entropie, ist größer als Null.

Ebenso erhöht Entropie auch wenn heißes Wasser bei Raumtemperatur aufbewahrt und abgekühlt. In diesem Video zeigen wir wie die Änderung der Entropie eines Systems während solcher Kühlung Experimente zu messen.

Bevor Sie lernen, wie man das Experiment und Daten sammeln, lasst uns lernen einige Gesetze und Gleichungen, die uns erlauben, Temperaturwechsel und Zunahme der Entropie im Kühlfall Experimente zu berechnen.

Newtons Gesetz der Kühlung besagt, dass die Änderungsrate der Temperatur eines Objekts proportional zur Differenz zwischen eigenem und der Temperatur der Umgebung. Mit Kalkül, kann diese Beziehung umgewandelt werden in dieser Gleichung, wo Kleinbuchstaben t stellt die Zeit dar, Ts bezeichnet die Temperatur der Umgebung T0 ist die Anfangstemperatur und k ist eine konstante, die die Eigenschaften des Objekts und seiner Umgebung abhängig.

Mit Hilfe dieser Formel, kann man berechnen die Temperatur eines Kühlsystems zu jeder Zeit wenn alle anderen Variablen bekannt sind. Diese Gleichung zeigt auch, dass Temperatur eine exponentielle Abhängigkeit von der Zeit. So ein heiße Objekt, wie ein Glas warmes Wasser, in eine kühlere Umgebung platziert wird, wird seine Temperatur mit einer exponentiellen Rate verringern, bis die Temperatur der Umgebung erreicht.

Nun, mal sehen, wie die Änderung der Entropie oder Δ berechnenS. Lassen Sie uns zum Zurückspulen, wenn das Wasser heiß war.

Wenn Entropie zu reden, müssen wir zuerst das System definieren. Hier ist das System das Glas Wasser und die Luft in den Raum. So ist die Änderung der Entropie des Systems, bzw. der ΔStotal einen Betrag der Änderung der Entropien dieser einzelnen Komponenten. Mathematisch gesehen ist die Änderung der Entropie als Wärme gewonnen oder verloren, gekennzeichnet durch Q, dividiert durch die Temperatur definiert.

In diesem Szenario wissen wir, dass Hitze lässt Wasser, damit ΔS für Wasser sinkt. Im Gegenteil, gewinnt die Umgebungsluft Wärme. Daher steigt ΔSLuft. Aus der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wissen wir, dass die Änderung der Entropie des Gesamtsystems positiv sein muss.

Jetzt lassen Sie uns sehen wie ein Experiment um zu testen, diese theoretischen Vorhersagen von Newton durchzuführen Gesetz der Kühlung und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik.

Um zu beginnen, füllen Sie einen großen Becher mit zwischen 500 mL bis 1 L Wasser. Stellen Sie den Becher auf einer heißen Platte, und erhitzen Sie das Wasser zum Sieden. Sobald das Wasser kocht, schalten Sie das Heizelement.

Dann vorsichtig das Becherglas von der Heizplatte zu entfernen, und auf den Tisch auf Küchenpapier legen. Die Papiertücher fungiert als Isolierung zwischen dem Wasser und dem coolen Tisch. Messen Sie die Temperatur des Wassers mit dem Thermometer.

Starten Sie die Stoppuhr, und die Temperatur des Wassers jede Minute für die ersten 20 Minuten.

Erfassen Sie für die nächsten 20 Minuten die Temperatur alle 5 Minuten.

Beenden Sie die Einnahme Messungen, wenn das Wasser in der Nähe von Zimmertemperatur gekommen ist. Dann zeichnen Sie die Datenpunkte in einem Diagramm der Temperatur des Wassers im Vergleich zur Zeit.

Jetzt lassen Sie uns die gewonnenen Daten zu analysieren. Die Anfangstemperatur des Wassers war 100 Grad 35 Minuten die Temperatur auf 50,6 gesunken, und die Umgebungstemperatur war 28,5 Grad. Schließen Sie diese Werte in Newtons Gesetz der Kühlung, und für die Kühlung Konstante klösen.

Jetzt mit den berechneten Wert für k, Grundstück die Gleichung als eine stetige Funktion. Wenn wir unsere Messdaten Punkte auf diese Karte legen, können wir sehen, dass die theoretischen und experimentellen Funktionen einen fast identischen Pfad folgen.

Jetzt reden wir über Entropie. Wie wir wissen, ist die totale Änderung der Entropie oder Delta S, gleich die Entropie-Änderung für die Wasser plus Zimmer.

Die Änderung der Entropie gleich Q, oder die Menge der Wärme übertragen aus dem heißen Wasser in die Luft, geteilt durch T, so dass die Änderung der Entropie berechnet werden kann, wenn Q bekannt ist.

Q berechnet unter Zugrundelegung der Beziehung zwischen Masse m, spezifische Wärme c und die Veränderung der Temperatur in Kelvin, Delta T. mit den Werten für Wasser Wärmemenge, die durch das Wasser freigegeben, Q berechnet und für Delta S. lösen verwendet werden kann

So zeigt die experimentellen Daten, dass die Entropie des Gesamtsystems erhöht hat, da Wärme aus dem Wasser auf die Luftmoleküle in den Raum übertragen wurde. Dies bestätigt den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschreiben eine Vielzahl von Vorkommen in Natur und Technik.

Ein Kühlschrank ist im Wesentlichen eine Wärmepumpe und entfernt Wärme aus einem Ort bei einer niedrigeren Temperatur der Wärmequelle und überträgt sie an einen anderen Speicherort, Kühlkörper, bei einer höheren Temperatur.

Entsprechend dem zweiten Gesetz fließen nicht Wärme spontan von einem kälteren Ort heißer zu. Daher ist Arbeit oder Energie für Kühlung erforderlich.

Ein Lagerfeuer ist ein weiteres Beispiel für Entropie Änderungen im wirklichen Leben. Das massive Holz als Brennstoff verbrennt und verwandelt sich in einen ungeordneten Haufen Asche verwendet. Darüber hinaus werden Wassermoleküle und Kohlendioxid freigesetzt.

Die Atome in die Dämpfe verteilen sich in einem wachsenden Cloud mit unendlichen ungeordneten Regelungen. So ist die Änderung der Entropie aus der Verbrennung von Holz immer positiv.

Sie sah nur Jupiters Einführung in die Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Sie sollten nun das grundlegende Konzept der Entropie, Newtons Gesetz der Kühlung und Beispiele für Entropie Veränderungen im täglichen Leben verstehen. Danke fürs Zuschauen!

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