Ентропиен баланс през цикъл на Карно

1 · Предскажи

Карно машина обменя топлина с горещ резервоар по една стъпка и със студен по друга. Отменя ли точно загубата на ентропия на горещия резервоар печалбата на ентропия на студения?

2 · Постановка

  1. Отвори настройката ентропия на Карно и натисни Нулирай. Същият 4-стъпков цикъл на Карно като цикъл на Карно върви между резервоари 600 K и 300 K.
  2. Включи показанието за топлина по стъпки.
  3. За всяка стъпка от цикъла (1 до 4) прочети обменената топлина и изчисли ентропийния принос на стъпката Q_leg/T_leg.

3 · Събери данни

Номер на стъпкаОбменена топлина в тази стъпка Q (J)Ентропиен принос ΔS = Q/T (J/K)
1
2
3
4

Сбери ентропийните приноси на 4-те си стъпки. Чертай приноса на всяка стъпка като стълбовидна диаграма, със стъпки 2 и 4 (адиабатни, Q = 0), показващи нула.

4 · Анализирай

  1. Потвърди, че стъпки 2 и 4 (адиабатните) допринасят нула ентропия, понеже Q = 0 за тези стъпки по определение. Сбери ненулевите приноси от стъпки 1 (при Th = 600 K) и 3 (при Tc = 300 K).
  2. Топлината, погълната от газа по стъпка 1, става топлина, отделена от горещия резервоар; топлината, отделена от газа по стъпка 3, става топлина, погълната от студения резервоар. Обясни защо комбинирното ентропийно изменение на резервоарите за пълния цикъл излиза нула.

5 · Надгради

  1. Реална машина има триене и топлопредаване с крайна скорост — и двете необратими. Обясни защо ентропийните изменения на резервоарите на реален цикъл НЕ биха се отменили точно, давайки положително нетно производство на ентропия — и защо вторият закон изисква това нетно производство да е ≥ 0.
  2. Нулевото нетно производство на ентропия на цикъла на Карно е причината да се нарича „обратим“ — би могъл да пуснеш всяка стъпка назад и да отмениш всичко, включително състоянията на резервоарите. Обясни защо процес с положително нетно производство на ентропия (като триенето) не може да бъде отменен по този начин.

Физиката зад този експеримент

Ентропиен баланс на резервоарите

Ентропията на всеки резервоар се променя с −Q/T за топлина, която той отдава (или +Q/T за топлина, която поглъща), при собствената си фиксирана температура. За обратим цикъл като Карно ентропийните изменения на горещия и студения резервоар точно се отменят: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.

← Назад към експеримента

Термодинамика

138 безплатни работни листа по физика за печат