Зміна ентропії відкритої системи - Довідник хіміка 21
Хімія та хімічна технологія
Зміна ентропії відкритої системи
Зміна ентропії відкритої системи[c.295]
Зміна ентропії відкритої системи може відбуватися або за рахунок протікання внутрішніх незворотних процесів усередині самої системи diS), або за рахунок процесів обміну системи із зовнішнім середовищем d S). Для хімічно реакційноздатних систем зміна /,5 може бути викликана, наприклад, перебігом реакцій усередині системи, тоді як - підведенням або відведенням реагентів та продуктів із системи.[c.295]
Усі розглянуті вище термодинамічні співвідношення, що розкривають зміст другого закону термодинаміки, відносяться до замкнутих систем. У відкритих системах ентропія може змінюватися внаслідок обміну речовини із зовнішнім середовищем. Тоді у рівнянні (235) з'явиться додатковий член, який враховує зміну кількості речовини (числа молів) у системі. Більш докладно це питання тут обговорюватися слід лише згадати у тому, що вивчення відкритих систем відкриває можливість застосування другого закону термодинаміки до живих організмів. Раніше викликала сумнів сама можливість застосування другого закону термодинаміки до живих організмів, оскільки такі системи характеризуються складними процесами (з майже безструктурної клітини розвивається складно організована система), пов'язаними зі зниженням ентропії. У той самий час у організмі постійно відбуваються незворотні процеси, що викликають збільшення ентропії. Частково ентропія може передаватися у зовнішнє середовище в процесі теплообміну, переважно вона переходить у зовнішнє середовище при обміні речовин.[c.241]
Постулюється, що загальна зміна ентропії відкритої системи (13) складається із двох незалежних частин[c.124]
У термодинаміці незворотних процесів постулюється, що згадані складові /Д і є незалежними, а загальна зміна ентропії відкритої системи дорівнює їх сумі[c.295]
Зміна ентропії відкритої системи. Воно може відбуватися або за рахунок[c.124]
Сумарна зміна ентропії у стаціонарному стані у відкритій системі також дорівнює нулю с15 = + ( 5 = 0. Однак при цьому члени ( 5і ( 5, відповідні процесам обміну системи з навколишнім середовищем та внутрішнім незворотним процесам системи, можуть бути відмінними від нуля)>[c.339]
Принциповим успіхом теорії термодинаміки незворотних процесів стало знаходження взаємозв'язку між швидкістю виробництва ентропії за рахунок мимовільних незворотних процесів усередині відкритої системи та встановленням у ній стаціонарного нерівноважного стану. Іншими словами, у багатьох випадках виявилося можливим за характером зміни в часі величини передбачати встановлення у відкритій системі [5] [c.339]
Розбиття величини зміни ентропії відкритої системи на дві складові Б і с18 дозволяє легко виявити принципові відмінності в термодинамічних властивостях відкритих та ізольованих систем.[c.296]
Організм є термодинамічно відкритою системою, в якій протікають хімічні реакції. Біохімічні реакції на всіх стадіях є каталітичними, каталізаторами є білки — ферменти. Зміна ентропії такої системи виражається сумою ентропії, що виробляється всередині системи, 5, і ентропії, що надходить ззовні або йде в зовнішнє середовище, еЗ[c.17]
Даний принцип мінімуму швидкості виробництва ентропії, або теорема І.Пригожина (1947 р.), є кількісним критерієм для визначення загального напряму мимовільнихзмін у відкритій системі чи, інакше кажучи, критерій її еволюції. Очевидно, що принцип мінімуму швидкості виробництва ентропії повністю еквівалентний принципу мінімуму швидкості дисипації енергії, який був сформульований Онзагером у 30-х роках при розгляді приватних завдань електродинаміки.[c.341]
При аналізі дуже складної системи враховують, що зміни у ній можуть відбуватися у різних масштабах часу, відповідних різним процесам, починаючи з невеликих характерних часів швидких взаємодій найбільш реакційноздатних складових елементів і закінчуючи великими часом еволюційних перетворень системи загалом. Як було показано в розд. 16.1.1, на різних масштабах часу для протікання процесів у межах однієї великої системи заснований і постулат про можливість розбиття зміни ентропії відкритої частково рівноважної системи на дві незалежні частини, пов'язані із зовнішніми та внутрішніми змінними dS = d S + d S. При цьому роль повільних процесів проявляється у процесах обміну з довкіллям, а швидкі процеси є внутрішні незворотні зміни.[c.394]
У замкнутій системі продукція ентропії може лише зменшуватися з часом. У відкритій системі є обмін речовиною із зовнішнім середовищем, і повна зміна ентропії описується виразом[c.320]
Зазначимо, що нерівність (VII.18) можна застосувати також і до відкритих систем. Для відкритих систем потік ентропії й Е поряд із членом dQ T включає члени, пов'язані з перенесенням речовини. Вираз для приросту ентропії з допомогою хімічних реакцій усередині системи залишається без змін.[c.172]
Залежно від співвідношення швидкостей зміни d S і d,S загальна ентропія dS відкритої системи може з часом або збільшуватися, абозменшуватись.[c.66]
Зміна ентропії у відкритій системі складається з продукції ентропії всередині системи (1 8 і з потоку ентропії dfS, тобто з виділення ентропії в навколишнє середовище або надходження ентропії в систему навколишнього середовища[c.308]
Взаємодія системи з довкіллям може виражатися в обміні речовиною та енергією (відкриті системи). Іноді дуже корисно розглядати систему в ідеалізованому стані, коли її взаємодія з навколишнім середовищем зведена до мінімуму та обсяг зберігається постійним. У цьому випадку ми маємо справу із ізольованими системами. В ізольованих системах, незважаючи на процеси, що відбуваються в них, і хімічні перетворення, енергія залишається незмінною. Зміна енергії системи може спостерігатися лише в тому випадку, якщо буде порушено її ізоляцію та з'явиться можливість енергетичної взаємодії з навколишнім середовищем. Якщо система ізольована неповністю і має можливість змінювати свій обсяг та обмінюватися енергією з навколишнім середовищем, то вона називається (на відміну від ізольованої) закритою. Величини, що характеризують всі фізичні та хімічні властивості системи, такі як температура, тиск, об'єм, внутрішня енергія, ентропія, концентрація і т. д., називають термодинамічні параметри стану.[c.11]
Якщо всередині відкритої системи досягнуто ізотропність і рівновагу щодо розподілу температури і тиску (але не хімічного складу системи) і процеси обміну з середовищем протікають рівноважно, така система може розглядатися як частково рівноважний стан. При цьому загальна зміна ентропії такої системи, як було показано, описується виразом (16.5), де в умовах замкнутості системи (тобто за відсутності обміну речовиною) / 6"= ЬО/Тописуєзміна ентропії відкритої системи внаслідок її рівноважного теплообміну з навколишнім середовищем. Таким чином,[c.298]
Відкрита термодинамічна система, на противагу закритим, обмінюється масами з навколишнім середовищем шляхом безпосереднього надходження або догляду різних окремих компонентів. Очевидно, внутрішня енергія відкритої системи змінюється зі зміною мас компонентів навіть за сталості ентропії та обсягу[c.5]
Зміна ентропії у відкритих системах. Застосування другого закону до біологічних систем у його класичному формулюванні призводить, як здається здавалося б, до парадоксального висновку, що процеси життєдіяльності йдуть із порушенням принципів термодинаміки. Справді, ускладнення та збільшення впорядкованості організмів у період їхнього зростання відбувається мимоволі. Воно супроводжується зменшенням, а чи не збільшенням ентропії, як випливало б із другого закону. Зрозуміло, збільшення ентропії в незворотних мимовільних процесах має відбуватися в ізольованих системах, а біологічні системи є відкритими. Проблема тому полягає в тому, щоб зрозуміти, як пов'язана зміна ентропії з параметрами процесів у відкритій системі, і з'ясувати, чи можна передбачити загальний напрямок незворотних процесів у відкритій системі зміни її ентропії. Головна труднощі у вирішенні цієї проблеми полягає в тому, що ми повинні враховувати зміну всіх термодинамічних величин у часі безпосередньо під час процесів у відкритій системі. Постулюється, що загальна зміна ентропії відкритої системи може відбуватися незалежно або за рахунок процесів обміну із зовнішнім середовищем с1е5, або внаслідок внутрішніх незворотних процесів[c.70]
Зміна ентропії характеризує розпорядкованість системи.Чим менша впорядкована система, тим більша її ентропія. Як правило, рідина має нижчу ентропію, ніж газ, оскільки молекули в газовій фазі менш упорядковані і мають більше ступенів свободи. Молекули з відкритим ланцюгом мають більшу ентропію, ніж відповідні циклічні молекули, наприклад гексан і циклогексан. Для молекули гексану кількість можливих конформацій більша, ніж для циклогексану. Тому розкриття циклу завжди призводить до виграшу в ентропії, а замикання циклу - її втрати. У реакціях, що протікають із збільшенням числа молекул продуктів, спостерігається великий виграш в ентропії, оскільки чим більше молекул, тим більше варіантів різного їх розташування у просторі.[c.84]
Всесвіт зазвичай розглядають як ізольовану систему постійного обсягу. Звідси випливає простий критерій для загальних змін, які ми спостерігаємо в ній вони збільшують невпорядкованість Всесвіту в цілому. Потрібно пам'ятати, однак, що малі частини Всесвіту можна розглядати як закриті чи відкриті системи. Зміна ентропії у закритих та відкритих системах може бути позитивною, негативною або рівною нулю. В ізольованій системі воно завжди позитивно. Ізольована система завжди при будь-якій зміні переходить від більш упорядкованого стану до менш упорядкованого.[c.121]
Зауважимо, що термодинамічні характеристики, навіть зміни ентропії, найчіткіше пов'язані з упорядкованістю системи, отже, і з її будовою, власними силами відповідають лише питання, якому напрямі і з якою інтенсивністю відбуваються зміни структури. Питання ж чому, як правило, залишається відкритим. І лише в розумному поєднанні термодинамічних даних з результатами електрохімічних, оптичних, рентгенографічних та іншихдосліджень виходить більш менш чітка відповідь. Без цього висновки можуть бути суперечливими чи односторонніми.[c.41]
Розглянемо ізольовану систему, що складається з організму та навколишнього середовища. Організм отримує з цього середовища їжу, кисень, воду і своєю чергою виділяє у ній різні речовини. Між організмом та середовищем здійснюється теплообмін. У таких умовах практично знаходиться космонавт у космічному кораблі. Організм космонавта - відкрита система по відношенню до корабля, який добре ізоліроран від навколишнього космічного простору. Загальна зміна ентропії всієї системи, згідно з другим початком, позитивно[c.17]
Виділену нами підсистему можна розглядати як відкриту систему, здатну обмінюватися енергією і речовиною з навколишнім середовищем — рештою повної системи. Спираючись на наведені вище міркування, ми приходимо до надзвичайно важливого висновку ентропія відкритої системи здатна зменшуватися з часом. Дійсно, потік ентропії з відкритої системи в довкілля, тобто величина ( 5зовнішн/ Див. сторінки де згадується термінЗміна ентропії відкритої системи :[c.126] [c.11] [c .296] [c.26] [c.47] [c.157] [c.26] [c.315] [c.12] [c.410] Дивитись розділи в: