Thermodynamik

Reversibler Carnot-Kreisprozess — Entropie

Ein reversibler Carnot-Kreisprozess tauscht Entropie mit Reservoirs — netto ΔS_univ ≈ 0.

Reversibler Carnot-Kreisprozess — Entropie — interaktive Thermodynamik-Simulation. Ein reversibler Carnot-Kreisprozess tauscht Entropie mit Reservoirs — netto ΔS_univ ≈ 0. Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.

Reversible Entropie

Ein reversibler Carnot-Kreisprozess tauscht Entropie mit Reservoirs — netto ΔS_univ ≈ 0.

Bei einem vollständig reversiblen Kreisprozess kehrt die Entropie des Systems zu ihrem Ausgangswert zurück, während das heiße Reservoir Entropie Q_h/T_h verliert und das kalte Reservoir Q_c/T_c mit gleichem Betrag gewinnt. Die gesamte Entropieänderung des Universums ist null — das definiert den maximalen Wirkungsgrad.

• ΔS_univ = 0 (reversible)
• Entropieaustausch

Untersuchungsbericht

Planen Sie die Frage, bevor Sie das Labor öffnen

Das Briefing entspricht der vorgerenderten Seite: Leitfrage, konkurrierende Vorhersagen, Variablenrollen, maßgebliche Gesetze, Aufbau sowie Analyse- und Erweiterungsaufgaben bleiben sichtbar und in dieser Reihenfolge.

Fahrfrage

Ein Carnot-Motor tauscht während einer Etappe Wärme mit einem heißen Reservoir und während einer anderen mit einem kalten Reservoir aus. Hebt der Entropieverlust des heißen Reservoirs den Entropiegewinn des kalten Reservoirs genau auf?

Vorhersagen zum Abwägen

• Die Entropieänderungen der Reservoirs heben sich nicht auf; Es gibt insgesamt eine Netto-Entropieänderung ungleich Null.
• Ja – bei einem reversiblen (Carnot-)Zyklus heben sich die Entropieänderungen der beiden Reservoire genau auf, was zu einer Nettoentropieerzeugung von Null führt.
• Änderungen der Reservoirentropie hängen nicht mit der mit dem Gas ausgetauschten Wärme zusammen.

Variable Rollen

Was Sie eingestellt haben:

• Teilschrittnummer

Was Sie messen:

• In diesem Teilschritt ausgetauschte Wärme Q (J)
• Entropiebeitrag ΔS = Q/T (J/K)

Wie die Untersuchung abläuft

1. Öffnen Sie die Entropie-Carnot-Preset und drücken Sie Zurücksetzen. Zwischen den Stauseen 600 K und 300 K verläuft der gleiche 4-Carnot-Zyklus wie der Carnot-Zyklus.
2. Aktivieren Sie die Wärmeanzeige pro Teilschritt.
3. Lesen Sie für jeden Abschnitt des Zyklus (1 bis 4) die ausgetauschte Wärme ab und berechnen Sie den Entropiebeitrag dieses Abschnitts Q_leg/T_leg.

Maßgebende Gleichung

Reservoir-Entropie-Gleichgewicht — ΔS = Qout/Tc − Qin/Th

Die Entropie jedes Reservoirs ändert sich bei seiner eigenen festen Temperatur um −Q/T für die Wärme, die es abgibt (oder +Q/T für die Wärme, die es absorbiert). Für einen reversiblen Zyklus wie den von Carnot heben sich die Entropieänderungen der heißen und kalten Reservoirs genau auf: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.

Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen

• Bestätigen Sie, dass die Teilschritte 2 und 4 (adiabatisch) keine Entropie beitragen, da Q = 0 für diese Teilschritte per Definition gilt. Addieren Sie die von null verschiedenen Beiträge der Teilschritte 1 (bei Th = 600 K) und 3 (bei Tc = 300 K).
• Die vom Gas während der Etappe absorbierte Wärme wird zu Wärme, die vom heißen Reservoir abgegeben wird; Die vom Gas während der Etappe 3 freigesetzte Wärme wird zur vom kalten Reservoir aufgenommenen Wärme. Erklären Sie, warum die kombinierte Entropieänderung der Reservoirs über den gesamten Zyklus hinweg Null beträgt.

Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird

• Ein echter Motor verfügt über Reibung und Wärmeübertragung mit endlicher Geschwindigkeit, die beide irreversibel sind. Erklären Sie, warum sich die Reservoir-Entropieänderungen eines realen Zyklus NICHT genau aufheben würden, was zu einer positiven Netto-Entropieerzeugung führen würde – und warum das zweite Gesetz verlangt, dass diese Nettoerzeugung ≥ 0 ist.
• Da der Carnot-Zyklus keine Netto-Entropie erzeugt, wird er „reversibel“ genannt – man könnte jeden Abschnitt rückwärts laufen lassen und alles rückgängig machen, einschließlich der Zustände der Reservoirs. Erklären Sie, warum ein Prozess mit positiver Nettoentropieerzeugung (wie Reibung) auf diese Weise nicht rückgängig gemacht werden kann.

• AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
• IB Physics — B.4 Thermodynamics
• General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
• NGSS High School Physics — Thermal energy transfer

1. Willkommen bei Entropie — Carnot
2. Kammer auswählen
3. Abspielen drücken
4. Entropie im reversiblen Kreisprozess
5. Inspektor öffnen
6. Geschafft!

Öffnen Sie die interaktive Simulation, um die Szene aufzubauen, drücken Sie auf Play und erkunden Sie sie mit Live-Messungen und einem geführten Tutorial.

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Entropie & der zweite Hauptsatz