Entropiebilanz über einen Carnot-Zyklus

1 · Vorhersagen

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?

• 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.

2 · Aufbauen

1. Öffnen Sie das Entropie-Carnot-Preset und drücken Sie Zurücksetzen. Derselbe Carnot-Zyklus mit 4 Teilschritten wie beim Carnot-Zyklus läuft zwischen einem 600-K- und einem 300-K-Reservoir.
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.

3 · Daten sammeln

Summieren Sie die Entropiebeiträge Ihrer 4 Teilschritte. Stellen Sie den Beitrag jedes Teilschritts als Balkendiagramm dar, wobei die Teilschritte 2 und 4 (adiabatisch, Q = 0) Null anzeigen.

4 · Auswerten

1. 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).
2. Die vom Gas während der Etappe 1 absorbierte Wärme wird zu Wärme, die vom heißen Reservoir abgegeben wird; die vom Gas während der Etappe 3 freigesetzte Wärme wird zur Wärme, die vom kalten Reservoir aufgenommen wird. Erklären Sie, warum die kombinierte Entropieänderung der Reservoirs über den gesamten Zyklus hinweg Null beträgt.

5 · Vertiefen

1. 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.
2. 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.

Die Physik hinter diesem Experiment

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