Microsoft PowerPoint - 20-Entropy.ppt

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영인 손
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1 Chapter 20. 엔트로피 (Entropy) 와열역학제 2 법칙 열역학제 2 법칙 : 닫힌계의엔트로피는감소하지않는다. ( ΔS 0) 엔트로피 (Entropy) : 무질서한정도 - 계를구성하는입자가정렬할수있는방법의수로정의 Physics, Page 1

2 New concept: Entropy (S) A measure of disorder A property of a system (just like p,,, U) related to number of different states of system Examples of increasing entropy: ice cube melts gases expand into vacuum Change in entropy: ΔS / >0 if heat flows into system (>0) <0 if heat flows out of system (<0) Physics, Page 2

3 uestion A hot (98 C) slab of metal is placed in a cool (5C) bucket of water. What happens to the entropy of the metal? A) Increase B) Same C) Decreases What happens to the entropy of the water? A) Increase B) Same C) Decreases What happens to the total entropy (water+metal)? A) Increase B) Same C) Decreases Physics, Page 3

4 20-2 비가역과정과엔트로피 ( 한쪽방향으로만진행되는반응 ) 비가역과정 닫힌계에서비가역과정이일어나면계의엔트로피 S 는항상증가하며결코감소하지않는다. Physics, Page 4

5 20-3 엔트로피변화 정의 : 이상기체에서의엔트로피의변화 1) 2) 기본식열역학제 1 법칙 : 상태방정식 : 3) 엔트로피계산 엔트로피변화는처음상태의특성과나중상태의특성에만의존하고, 두상태사이에서변화하는과정과는관계가없다. Physics, Page 5

6 자유팽창 ( 비가역과정 ) 에서의엔트로피변화 자유팽창 비가역과정 자유팽창은비가역과정이다. 자유팽창시압력, 온도, 부피는예측할수없이요동친다. 변화하는동안상태를예측할수없다. 엔트로피변화는처음과나중상태에만의존한다. 그런데, 자유팽창동안온도는일정하다. 등온팽창 가역과정 따라서, 가역과정인등온팽창과정과엔트로피변화는동일하다. 즉, 비가역과정에대한엔트로피변화를알기위해서는처음 / 나중상태가동일한가역과정으로바꾸어생각하면된다. Physics, Page 6

7 등온과정 ( 가역과정 ) 에서의엔트로피변화 가역과정 등온팽창동안 를일정하게유지하기위해서는열 가기체로전달되어야한다. (>0) 따라서, ΔS > 0 Physics, Page 7

8 ( 보기문제 20-1) 1.0 몰의질소기체, 자유팽창후부피는두배. 엔트로피의변화는? 비가역과정 등온과정에서열은 엔트로피의변화 Physics, Page 8

9 예제 )-10 o C 의얼음이녹아 10 o C 의물이되는경우엔트로피변화는? 융해과정에서의엔트로피변화 + 온도변화에따른엔트로피변화 a) 얼음의융해과정 b) 고체또는액체의온도변화에따른엔트로피의변화 두과정모두 ΔS 0 Physics, Page 9

10 20-4 열역학제 2 법칙 : 열역학제 2 법칙 닫힌계의엔트로피 (/) 는항상증가하며, 결코감소하지않는다. : 질서 (order) 무질서로 (disorder) 변화한다. 변화과정이비가역적이면늘어나고가역적이면일정하게유지된다. 결과적으로, 무질서한상태에서질서있는상태로저절로변화하지않는다. 어떠한열기관 (heat engine) 도 ΔS0 인기관보다효율이더좋을수없다. : ΔS0 인이상적인기관을카르노기관 (Carnot engine) 이라한다. Physics, Page 10

11 20-5 일상생활에서의엔트로피 : 열기관 열기관 (eat Engine) : 주위에서열에너지를받아일을되풀이하는, 즉, 순환과정을되풀이하면서일을하는장치 열기관의효율 eat Engine 1 정의 : 2 계산 : ε W 1 열역학제 1 법칙 ΔE int W 0 ΔE ( 순환과정이므로 ) int W 엔트로피변화 ΔS ΔS + ΔS + Physics, Page 11

12 카르노 (Carnot) 기관 he most efficient engine Sadi Carnot ( ) Idealized eat Engine No Friction ΔS / 0 Reversible Process One-cycle 등온팽창 ( 1 2 ) : 단열팽창 ( 2 3 ) 등온압축 ( 3 4 ) : 단열압축 ( 4 1 ) Physics, Page 12

13 카르노 (Carnot) 기관 카르노기관의열효율 : 모든열기관중가장열효율이높다. ΔS 0 ε W 1 1 < 1 Carnot Engine 열에너지를전부일로바꾸는것은불가능하다 즉, 영구기관은없다 실제적인열기관의효율 ε <1 Physics, Page 13

14 Physics, Page 14 ( 참고 ) P- Diagram 으로본 Carnot Engine 의효율계산 Isothermal Isothermal Adiabatic Adiabatic AB DC AB h c h W W W ε ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A B D C A B A B D C A B nr nr nr ln ln ln ln ln ln ε In the adiabatic process: cons tant γ 1 γ 5/3 for an ideal Gas D A C B γ γ γ γ ( ) ( ) γ γ D A C B D A C B D C A B 1 <1 ε In the isothermal process:

15 ( 보기문제 20.4) 카르노기관 한순환과정당한일은 1200J, 걸린시간은 0.25S A) 카르노가관의열효율 B) 일률 C) 매순환과정마다열저장고에서뽑아내는열에너지 D) 매순환과정마다저온열저장고에주는열에너지 Physics, Page 15

16 20-6 일상생활에서의엔트로피 : 냉동기 1) 정의 : 일에너지를소모하여열을찬곳에서뜨거운곳으로옮기는장치 2) 보기 : 냉장고, 열펌프, 에어컨 3) 냉장고의성능계수 이상적인냉동기 ( 카르노냉동기 ) 의성능계수 K C C 일반적인냉동기의성능계수 K < C C Physics, Page 16

17 20-8 통계역학적관점에서본엔트로피 W : 계가어떤상태에있을경우의수 예 ) 동일한 6 개의입자가 4 개, 2 개씩두개의방에있는경우의수 예 ) 동일한 N 개의입자가두개의방에 n 1, n 2 개의입자가존재할경우의수 확률과엔트로피 (udwig Boltzmann, 1877) (k : Boltzman 상수 ) ( 보기문제 20-6) 상자안에 100 개의구별할수없는동일한입자가있을때, 50 개, 50 개로나누어질상태의수와 100 개,0 개로나누어질상태의수는? 따라서, 한쪽으로다몰릴가능성은거의없다! Physics, Page 17

18 Summary First aw of thermodynamics: Energy Conservation ΔE int + W eat Engines Efficiency 1- / Refrigerators Coefficient of Performance C /( - C ) Entropy ΔS / Second aw: Entropy always increases! (ΔS > 0) Carnot Cycle: Reversible, Maximum Efficiency ε 1 / Physics, Page 18

Physics 106P: Lecture 1 Notes

Physics 106P: Lecture 1 Notes Chapter 20. 엔트로피 (Entropy) 와열역학제 2 법칙 열역학제 2 법칙 : 닫힌계의엔트로피는감소하지않는다. ( ΔS 0) 엔트로피 (Entropy) : - 계의무질서한정도를나타내는상태함수. - 계를구성하는입자가정렬할수있는방법의수로정의 Physics, Page 1 비가역적과정 : 주위의작은변화만으로는결코역방향의과정이 일어나지않는과정 Ex) - 손으로감싼따뜻한커피는식을뿐이지손은더차가워지고커피는더뜨거워지는과정은저절로일어나지않음