تغير الإنتروبيا في تمدد متساوي الحرارة عكوس
1 · توقّع
يتمدد غاز متساوي الحرارة وعكوسًا إلى حجم أكبر. هل تزداد إنتروبياه أم تنقص أم تبقى؟
- تنقص الإنتروبيا مع انتشار الغاز.
- تبقى الإنتروبيا ثابتة لأن العملية عكوسة.
- تزداد الإنتروبيا — للغاز ترتيبات مجهرية ممكنة أكثر عند حجم أكبر.
2 · التجهيز
- افتح تجربة إنتروبيا التمدد واضغط إعادة. 1 mol أرغون يبدأ عند 20 L و300 K.
- فعّل قراءتي الحرارة المتبادلة وتغير الإنتروبيا.
- اضبط الحجم النهائي المستهدف لكل تجربة، وسجل الحرارة المتبادلة وتغير الإنتروبيا.
3 · اجمع البيانات
| الحجم النهائي V₂ (L) | الحرارة المتبادلة Q (J) | تغير الإنتروبيا ΔS (J/K) |
|---|---|---|
| 30.00 | ||
| 40.00 | ||
| 60.00 |
ارسم تغير الإنتروبيا ΔS (المحور الصادي) مقابل ln(V₂/V₁) (المحور السيني) لمحاولاتك الثلاث، باستخدام V₁ = 0.02 m³.
4 · حلّل
- لمحاولة واحدة، احسب Q = nRT·ln(V₂/V₁) باستخدام n = 1 mol و R = 8.314 J/(mol·K) و T = 300 K، ثم ΔS = Q/T (أي ما يعادل ΔS = nR·ln(V₂/V₁) مباشرة). قارن كليهما بالجدول.
- اشرح لماذا ΔS موجب في كل تجربة هنا، ولماذا يعطي تمدد أكبر (V₂ أكبر) زيادة إنتروبيا أكبر.
5 · وسّع
- تفترض هذه التجربة تمددًا عكوسًا (بطيئًا بلا نهاية). تمدد حر (غير مضبوط) في الفراغ إلى الحجم النهائي نفسه سينتج نفس ΔS للغاز تمامًا، رغم عدم تبادل أي حرارة (Q = 0) وعدم بذل شغل. اشرح لماذا الإنتروبيا دالة حالة لا تهتم كيف انتقل الغاز من V₁ إلى V₂.
- يقول القانون الثاني إن إجمالي الإنتروبيا (الغاز والمحيط) لا ينقص أبدًا لعملية حقيقية. في هذا التمدد المتساوي الحرارة العكوس، يفقد المحيط (المستودع المزود بالحرارة Q) من الإنتروبيا بقدر ما يكتسب الغاز. اشرح لماذا يجعل ذلك التغير الكلي صفرًا — بصمة العملية العكوسة.
الفيزياء خلف هذه التجربة
تغير الإنتروبيا في عملية متساوية الحرارة عكوسة
للتمدد متساوي الحرارة العكوس، تساوي إنتروبيا التغير الحرارة المتبادلة مقسومة على درجة الحرارة الثابتة، وهو ما ينتج ΔS = nR·ln(V₂/V₁) للغاز المثالي — تنمو الإنتروبيا مع لوغاريتم نسبة الحجم.