المحتوى الحراري مقابل الانتروبيا: الفرق والمقارنة

لفهم الديناميكا الحرارية ، يعتبر المحتوى الحراري والإنتروبيا مفهومين أساسيين لا يمكن لأحد أن يفوتهما. إن معرفة الفرق بين المحتوى الحراري والإنتروبيا يساعدنا على اجتياز اختبار العلوم لدينا ويقدم تفسيرًا منطقيًا للعديد من العمليات التي نشهدها يوميًا. يمكن للديناميكا الحرارية أن تشرح كل شيء من المراحل المتغيرة إلى نقل الطاقة في حالة واحدة.

الوجبات السريعة الرئيسية

1. يمثل المحتوى الحراري الطاقة الكلية للنظام ، بينما يقيس الانتروبيا درجة اضطراب أو عشوائية النظام.
2. يشير التغيير الإيجابي في المحتوى الحراري إلى امتصاص الحرارة ، بينما يشير التغيير السلبي إلى إطلاق الحرارة ؛ تشير زيادة الانتروبيا إلى زيادة الاضطراب بينما يقترح تقليل الانتروبيا النظام.
3. يؤثر كل من المحتوى الحراري والإنتروبيا على عفوية التفاعلات ، مع المزيد من التغيرات السلبية في المحتوى الحراري وتغييرات أكثر إيجابية في الكون مما يجعل التفاعلات أكثر تلقائية.

المحتوى الحراري مقابل الانتروبيا

الفرق بين المحتوى الحراري والإنتروبيا هو أن المحتوى الحراري هو قياس الطاقة الكلية للنظام ، وهو مجموع الطاقة الداخلية ومنتج الضغط والحجم. من ناحية أخرى ، الانتروبيا هي كمية الطاقة الحرارية في نظام غير متاح لتحويله إلى عمل. 

يتم تعريف المحتوى الحراري للنظام الديناميكي الحراري على أنه دالة حالة يتم حسابها عند ضغط ثابت (جو مفتوح كبير). وحدة المحتوى الحراري هي نفس الطاقة ، أي J ، في وحدة SI ، لأنها مجموع الطاقة الداخلية للنظام ومنتج الضغط والتغير في الحجم. لا يمكن قياس المحتوى الحراري الكلي للنظام بشكل مباشر. لذلك ، نقيس التغيير في المحتوى الحراري للنظام. 

بكلمات بسيطة ، الإنتروبيا هي مقياس العشوائية أو الفوضى في النظام. إنها خاصية واسعة النطاق ، مما يعني أن قيمة الانتروبيا تتغير وفقًا لكمية المادة في النظام. إذا كان النظام مرتبًا بدرجة عالية (أقل فوضوية) ، فإنه يحتوي على نسبة منخفضة من الإنتروبيا والعكس صحيح. وحدة الإنتروبيا في النظام الدولي هي J⋅K^-1.

جدول المقارنة

معلمات المقارنة	الطاقة الداخلية الكامنة	الكون
تعريف	المحتوى الحراري هو مجموع الطاقة الداخلية ومنتج الضغط والحجم للنظام الحراري الديناميكي.	الانتروبيا هو مقدار الطاقة الحرارية لنظام غير متاح للتحويل إلى عمل ميكانيكي أو مفيد.
مقاسات	لا يمكن قياس المحتوى الحراري الكلي للنظام بشكل مباشر ومن ثم نحسب التغير في المحتوى الحراري.	يشير قياس إنتروبيا النظام إلى مقدار الفوضى أو الفوضى الموجودة في النظام الديناميكي الحراري.
وحدة	إن المحتوى الحراري في النظام الدولي للوحدات هو نفس وحدة الطاقة وبالتالي يمكن قياسها في J.	وحدة SI للإنتروبيا لوحدة الكتلة هي J⋅K-1⋅kg-1 وللإنتروبيا لكل وحدة كمية من المادة هي J⋅K-1⋅ مول-1.
رمز	يتم الإشارة إلى المحتوى الحراري بواسطة H.	يتم الإشارة إلى الانتروبيا بواسطة S.
تاريخنا	ابتكر عالم يُدعى Heike Kamerlingh Onnes مصطلح "المحتوى الحراري".	ابتكر عالم فيزيائي ألماني يُدعى رودولف كلاوسيوس مصطلح "إنتروبيا".
تفضيل الشروط	يفضل النظام الديناميكي الحراري دائمًا الحد الأدنى من المحتوى الحراري.	يفضل النظام الديناميكي الحراري دائمًا الانتروبيا القصوى.

ما هو المحتوى الحراري؟

 المحتوى الحراري هو خاصية ديناميكية حرارية تشير إلى مجموع الطاقة الداخلية ومنتج ضغط وحجم النظام. يشير المحتوى الحراري للنظام إلى قدرته على إطلاق الحرارة ، وبالتالي فهو يحتوي على نفس وحدة الطاقة (الجول والسعرات الحرارية وما إلى ذلك). يتم الإشارة إلى المحتوى الحراري بواسطة H. 

من المستحيل حساب المحتوى الحراري الكلي للنظام لأنه من المستحيل معرفة نقطة الصفر. لذلك ، يتم حساب التغير في المحتوى الحراري بين حالة وأخرى عندما يكون الضغط ثابتًا. صيغة المحتوى الحراري هي H = E + PV ، حيث E هي الطاقة الداخلية للنظام ، و P هو الضغط ، و V هو الحجم. 

هناك الكثير من الأهمية للمحتوى الحراري في النظام الديناميكي الحراري لأنه يحدد ما إذا كان التفاعل الكيميائي ماصًا للحرارة أم طاردًا للحرارة. يتم استخدامه أيضًا لحساب حرارة التفاعل ، والحد الأدنى من متطلبات الطاقة للضاغط ، إلخ. 

ما هو الانتروبيا؟

 الانتروبيا هي خاصية واسعة النطاق ، وهي مقياس العشوائية أو الفوضى في نظام الديناميكا الحرارية. تتغير قيمة الانتروبيا مع التغيير في مقدار المادة في النظام. يُرمز إلى الانتروبيا بواسطة S ، والوحدات المشتركة للإنتروبيا هي جول لكل كلفن جيوك^-1 أو J⋅K^-1⋅kg^-1 للإنتروبيا لكل وحدة كتلة. نظرًا لأن الانتروبيا تقيس العشوائية ، فإن النظام عالي الترتيب لديه نسبة منخفضة من الانتروبيا.

هناك عدة طرق لحساب إنتروبيا النظام. ولكن هناك طريقتان من أكثر الطرق شيوعًا وهما حساب إنتروبيا عملية قابلة للعكس و متحاور عملية. لحساب إنتروبيا عملية عكسية ، تكون الصيغة S = kB ln W حيث kB هو ثابت Boltzmann وقيمته تساوي 1.38065 × 10-23 J / K ، و W هو عدد الحالات الممكنة. لحساب إنتروبيا عملية متساوية الحرارة ، تكون الصيغة ΔS = ΔQ / T ، حيث ΔQ تشير إلى التغير في الحرارة و T هي درجة الحرارة المطلقة للنظام في كلفن.

ذوبان الجليد في الماء ، يليه تبخير في البخار ، هو مثال على زيادة الفوضى وتقليل الانتروبيا. عندما يكتسب مكعب الثلج الطاقة ، تعمل الطاقة الحرارية على تفكيك هيكله لتكوين سائل وبالتالي تزيد الفوضى في النظام. يحدث شيء مشابه عندما يتحول السائل إلى حالة بخار. ولكن ، أثناء التركيز على النظام ، تقل الانتروبيا بينما تزداد إنتروبيا البيئة المحيطة. 

الاختلافات الرئيسية بين المحتوى الحراري والانتروبيا

1. المحتوى الحراري هو مجموع الطاقة الداخلية ومنتج ضغط وحجم نظام ديناميكي حراري. من ناحية أخرى ، الانتروبيا هي مقدار الطاقة الحرارية لنظام غير متاح للتحويل إلى عمل ميكانيكي أو مفيد. 
2. يقصد بقياس المحتوى الحراري قياس تغير النظام في المحتوى الحراري ، بينما تشير الأنتروبيا إلى مقدار الاضطراب أو الفوضى في النظام.
3. وحدة SI الخاصة بالمحتوى الحراري هي نفس وحدة الطاقة وبالتالي يمكن قياسها في J ، في حين أن وحدة SI الخاصة بالانتروبيا لوحدة الكتلة هي J⋅K − 1⋅kg − 1 ، وللإنتروبيا لكل وحدة كمية من المادة هي J⋅K^-1⋅ مول^-1.
4. يتم الإشارة إلى المحتوى الحراري بواسطة H ، في حين يتم الإشارة إلى الانتروبيا بواسطة S.
5. صاغ Heike Kamerlingh Onnes مصطلح "المحتوى الحراري" ، في حين صاغ رودولف كلوسيوس مصطلح "إنتروبيا".
6. في النظام الديناميكي الحراري ، يفضل الحد الأدنى من المحتوى الحراري ، في حين يفضل الانتروبيا القصوى في نفس النظام. 

مراجع حسابات

1. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/j100362a018
2. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/md/c4md00057a

آخر تحديث: 11 يونيو 2023