Bài thuyết trình Entropy và ứng dụng Entropy - Phạm Tấn Phát

nh là chu trình dành cho động cơ nhiệt hay máy lạnh có hiệu năng tốt nhất. Đây cũng là nội dung của định lí Carnot.Chu trình Carnot cũng là một chu trình thuận nghịch. Người ta cũng đã chứng minh rằng mọi chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch đều là chu trình kết hợp của các chu trình Carnot nhỏ hơn.Chu trình Carnot bao gồm các quá trình đẳng nhiệt và đẳng entropy thuận nghịch. Hình 1 A mô tả cho chúng ta thấy hoạt động của chu trình Carnot với từng quá trình truyền nhiệt được giao cho từng thiết bị độc lập. Các trạng thái thay đổi của dòng chất lỏng làm việc được mô tả trong sơ đồ nhiệt-entropy hình 1 BHình 2: Biểu đồ Entropy - Nhiệt độ chu trình Rankline**Ta thấy hiệu suất của quá trình phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ đầu vào và đầu ra của toàn bộ quá trình Rankine, một kỹ sư người Scotland đã cải tiến chu trình Carnot nhằm nâng cao hiệu suất của nhà máy nhiệt điện. Nguyên lý Rankine hoàn toàn dựa trên chu trình Carnot với một khác biệt là do quá trình ngưng cũng bao gồm cả quá trình giải nhiệt liên tục cho đến khi quá trình ngưng hoàn toàn được ổn định nên Rankine đưa thêm một bơm nước thay thế cho quá trình nén hai pha. Sơ đồ nhiệt độ - entropy mô tả thay đổi trạng thái của chất lỏng trong chu trình Rankine..Như chúng ta thấy quá trình nén được kết thúc (ở trạng thái a) tại áp suất sôi thay vì nhiệt độ sôi (trạng thái a’), và qua đó hoàn tất chu trình Carnot.Tam giác được giới hạn bởi cạnh a-a’ với đường nối là đường cong nhiệt độ entropy trong hình 2a thể hiện hao tổn công của chu trình do quá trình trao đồi nhiệt không thuận nghịch của chất lỏng từ trạng thái a sang trạng thái ngưng. Áp suất thấp ở trạng thái “a” so với trạng thái “a’” tạo ra điều kiện cần ít công hơn so với quá trình nén d-a. Như vậy chu trình Rankine giảm thiểu được quá trình nén hai trạng thái hơi lỏng làm giảm công nén đi một lượng đáng kể.Như vậy chu trình Rankine cho phép nâng cao hiệu suất làm việc bằng cách giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình nén, cho phép nâng cao nhiệt độ đầu vào trong việc thu hồi nhiệt trong quá trình giản nở nhiệt của chất công tác trong tua-bin Entropy là một hàm trạng tháiĐơn vị của entropy là Joule trên độ Kelvin, kí hiệu J.K-1. Tổng quát hóa, khi hệ nhận được δQ joule nhiệt lượng trong một quá trình thuận nghịch vi mô ở nhiệt độ T, entropy của nó tăng : dS(hệ) = δQ(thuận nghịch)/T.Bất đẳng thức xây dựng bởi Clausius cho những biến đổi không thuận nghịch : ΔS(hệ) > Q(không thuận nghịch)/TTính chất của EntropyEntropy có thể tăng một cách đột ngột trong một quá trình không thuận nghịch. Thật vậy, theo định luật thứ 2 của nhiệt động học, entropy của một hệ cô lập không thể giảm, mà chỉ có thể tăng hoặc giữ nguyên giá trị trong trường hợp quá trình biến đổi là thuận nghịch.Nếu như định luật thứ nhất là định luật bảo toàn năng lượng của hệ thì định luật thứ hai là định luật về sự biến đổi của hệ: Tất cả các sự biến đổi thực đều được thực hiện với sự tăng lên của sự 'hỗn loạn' chung ( bao gồm hệ + môi trường ngoài); sự hỗn loạn được đo bằng entropy. Ở đây, chúng ta nói rằng có sự tăng entropy.Phương trình của định luật thứ hai mô tả sự tăng entropy:*ΔS(chung) = S(tạo ra) = ΔS(hệ) + ΔS(môi trường ngoài) > 0Trong trường hợp biến đổi là lý tưởng ( thuận nghịch), không có sự tạo ra entropy:*S(tạo ra) = ΔS(hệ) + ΔS(môi trường ngoài) = 0. Phaân töû caøng phöùc taïp, S caøng lôùn.Ví du:S0O = 38.47 , S0O2 = 49.0, S0O3 = 57.08 (cal/mol.K)Chaát caøng raén S caøng nhoû Ví duï ôû 500K : 	SBi = 17, SW =11.1, Skimcöông=2 (cal/mol.K)Nhieät ñoä taêng thì S taêng, nhöng p taêng thì S giaûm. Đây là biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của Entropy vào nhiệt độ thể hiện qua sự thay đổi các pha của vật chất. Từ biểu đồ ta thấy trong cùng một pha, Entropy của chất tăng dần theo nhiệt độ . Tại điểm chuyển pha, Entropy tăng đột ngột, qua hết điểm chuyển pha, Entropy tăng từ từ. Ta thấy mức tăng đột ngột của Entropy tại điểm chuyển pha từ rắn sang lỏng nhỏ hơn nhiều so với từ lỏng sang khí.ÑÒNH LUAÄT NERNST(Nguyeân lyù 3 cuûa nhieät ñoäng hoïc) Entropi cuûa taát caû caùc tinh theå tinh khieát ôû 0K ñeàu baèng 0.Vôùi caùc chaát khaùc, nguyeân lyù phaùt bieåu nhö sau:Khi moät heä tieán ñeán 0K, taát caû caùc quaù trình döøng laïi vaø entropy cuûa heä ñaït ñeán cöïc tieåu, tieán ñeán 0.Học thuyết “ big bang “ là lời khẳng định đanh thép của thuyết entropyTại thời điểm ban đầuVũ trụ ngày nayVụ nổ “ big bang “Học thuyết Big Bang mô tả về quá trình giãn nở của vũ trụ từ thời điểm nó bắt đầu hình thành cho đến nay, có nghĩa là mọi thứ tồn tại trong vũ trụ được dàn trải đều ra theo các chiều không gian. Đó là một trong số những học thuyết cơ bản nhất về sự hình thành và phát triển của vũ trụ. Đồng thời, nó cũng đưa ra một số dự đoán về tương lai của vũ trụYÙ nghóa vaät lyù:Entropi laø thöôùc ño ñoä hoãn loaïn traïng thaùi cuûa heä.Entropi laø thöôùc ño xaùc suaát cuûa traïng thaùi ñaõ cho cuûa heä.Thang đo lường được các chuyên gia sáng tạo nhằm so sánh khoảng cách giữa các cepheids, giúp xác định chính xác nhất độ giãn nở của vũ trụSự nở ra của vũ trụ ảnh hưởng của quá trình tăng entropy Ứng dụng của EntropyNăm 1920, nhà thiên văn học người Mỹ- Edwin P. Hubble là người đầu tiên phát hiện ra vũ trụ của chúng ta không tĩnh. Ông đã chứng minh không gian mở rộng ra rất nhiều sau vụ nổ Big-Bang cách đây 13.7 tỷ năm trước. Năm 1990, các nhà thiên văn đã chứng minh việc mở rộng vũ trụ đang tăng tốc từng ngày. Khám phá này được giải Nô-ben Vật lý năm 2001.Như vậy, sự nở ra của vũ trụ là minh chứng rõ ràng nhất cho tăng lên không ngừng của Entropy trong tự nhiênNăm 1971, Stephen Hawking chứng minh rằng diện tích của chân trời sự kiện của bất kỳ lỗ đen cổ điển đều không bao giờ giảm. Điều này tương tự như định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trong đó vai trò diện tích của chân trời sự kiện tương ứng với entropy. Người ta có thể vi phạm nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học bằng việc vật chất trong vũ trụ của chúng ta đi vào lỗ đen và do đó làm giảm entropy của toàn vũ trụ. Chính vì vậy mà Jacob Bekenstein giả thiết rằng lỗ đen cũng có entropy và entropy của nó tỷ lệ với diện tích của chân trời sự kiện. Sử dụng định luật thứ nhất của cơ học lỗ đen người ta thấy rằng entropy của lỗ đen bằng một phần tư diện tích của chân trời sự kiện.Sau đó, người ta còn cho rằng, lỗ đen là các vật thể có entropy cực đại, tức là, trong vùng không-thời gian nào đó, entropy cực đại chính là entropy của lỗ đen chiếm vùng không thời gian đó. Làm lạnh từ nhiệtHình 2. Hiệu ứng từ nhiệt Thành phần tạo nên tính chất nhiệt của vật là sự dao động mạng tinh thể (entropy mạng), nhưng ở vật liệu từ, ta có thêm một thành phần khác là các mômen từ (entronpy từ). Với một vật thể cách ly nhiệt, tổng entropy của hai thành phần này là không đổi.Nếu ta càng làm biến đổi entropy từ lớn, sẽ dẫn đến khả năng làm lạnh lớn. Đây chính là nguyên lý làm lạnh từ nhiệtNhư ta đã biết, tính chất nhiệt của vật là sự dao động của mạng tinh thể( Entropy mạng). Tuy nhiên, trong vật liệu từ, ta có thêm một thành phần khác là các mômen từ( Entropy từ). Với một vật cách ly nhiệt( đoạn nhiệt), tổng hai thành phần này là một hằng số. Khi đặt vật liệu từ vào một từ trường ngoài, các mômen từ có xu hướng sắp sếp theo từ trường dẫn, làm cho entropy từ giảm xuống, entropy mạng tăng lên làm vật nóng lên. Ngược lại, quá trình khử từ làm cho vật lạnh đi.Hình 3. Công nghệ làm lạnh nén giãn khí (trái) và công nghệ làm lạnh từ nhiệt.Chú dẫn hình 3Hình 3 cho ta thấy chút mường tượng về công nghệ làm lạnh từ nhiệt: cũng tương tự như các bước ở chu trình nén- giãn khí( ở cột trái). Ban đầu, hệ thống từ trường sẽ từ hóa khối vật liệu từ cho đến bão hòa, quá trình này làm cho vật liệu nóng lên, hệ thống dẫn nhiệt sẽ làm tản sức nóng( như nước, dầu, nitơ lỏng), giống như ta thấy sự nóng lên của một bên ở tủ lạnh. Tiếp đó, một từ trường ngược sẽ được đặt vào nhằm khử từ của khối vật liệu( hủy từ độ về zero), quá trình này sẽ làm cho vật liệu lạnh đi, tạo ra sự làm lạnh, sau khi quá trình lạnh được truyền ra cơ cấu ngoài, vật liệu sẽ trở lại nhiệt độ cũ và tiếp tục chu trình mớiƯu điểm của chu trình từ nhiệt- Không gây ô nhiễm ( máy lạnh dùng khí nén thải ra khí phá hủy tầng ozone- CFC) do không thải ra các chất gây ô nhiễm.Hiệu suất cao: các máy lạnh dùng hiệu ứng từ nhiệt có thể đạt hiệu suất 60%, các máy lạnh sử dụng hệ thống nén khí không vượt quá 40%.Kích thước nhỏ gọn.Entropy thông tinEntropy thông tin là một khái niệm mở rộng của entropy trong nhiệt động lực học và cơ học thống kê sang cho lý thuyết thông tin.Entropy thông tin mô tả mức độ hỗn loạn trong một tín hiệu lấy từ một sự kiện ngẫu nhiên. Nói cách khác, entropy cũng chỉ ra có bao nhiêu thông tin trong tín hiệu, với thông tin là các phần không hỗn loạn ngẫu nhiên của tín hiệu.Ví dụ, nhìn vào một dòng chữ tiếng Việt, được mã hóa bởi các chữ cái, khoảng cách, và dấu câu, tổng quát là các ký tự. Dòng chữ có ý nghĩa sẽ không hiện ra một cách hoàn toàn hỗn loạn ngẫu nhiên; ví dụ như tần số xuất hiện của chữ cái x sẽ không giống với tần số xuất hiện của chữ cái phổ biến hơn là t. Đồng thời, nếu dòng chữ vẫn đang được viết hay đang được truyền tải, khó có thể đoán trước được ký tự tiếp theo sẽ là gì, do đó nó có mức độ ngẫu nhiên nhất định. Entropy thông tin là một thang đo mức độ ngẫu nhiên này. Một ứng dụng phổ biến của công thức entropy trong công nghiệp tổ chức là việc nghiên cứu thực nghiệm tập trung công nghiệp (Hildenbrand và Paschen 1964; Finkelstein và Friedberg 1967; Theil 1967: 290-291). Áp dụng cho việc phân phối cổ phiếu thị trường, entropy là một giải pháp chuyển đổi từ thị trường độc quyền sang thị trường cạnh tranh. Các biện pháp entropy đa dạng hóa cũng đã được áp dụng cho dữ liệu bằng sáng chế và các dữ liệu bibliometric để phân tích sự đa dạng trong các nỗ lực nghiên cứu và sáng tạo kỷ luật, đơn vị tổ chức hoặc địa lý khác nhau phân tích. Trong một nghiên cứu bằng sáng chế về công nghệ xe hơi thân thiện với môi trường, Frenken et al. (2003) đã sử dụng các biện pháp entropy trong hai chiều .Cảm ơn Cô và các bạn đã quan tâm theo dõi