Θερμοδυναμική

Αντιστρέψιμος κύκλος Carnot — εντροπία

Ένας αντιστρεπτός κύκλος Carnot ανταλλάσσει εντροπία με τις δεξαμενές — καθαρό ΔS_univ ≈ 0.

Αντιστρέψιμος κύκλος Carnot — εντροπία — διαδραστική προσομοίωση Θερμοδυναμική. Ένας αντιστρεπτός κύκλος Carnot ανταλλάσσει εντροπία με τις δεξαμενές — καθαρό ΔS_univ ≈ 0. Δωρεάν εικονικό εργαστήριο φυσικής στον φυλλομετρητή με ζωντανές μετρήσεις σε μονάδες SI και καθοδηγούμενο μάθημα.

Αντιστρέψιμη εντροπία

Ένας αντιστρέψιμος κύκλος Carnot ανταλλάσσει εντροπία με τις δεξαμενές — καθαρή ΔS_univ ≈ 0.

Για πλήρη αντιστρέψιμο κύκλο η εντροπία του συστήματος επιστρέφει στην αρχική της τιμή, ενώ η ζεστή δεξαμενή χάνει εντροπία Q_h/T_h και η κρύα δεξαμενή κερδίζει Q_c/T_c ίδιου μέτρου. Η συνολική μεταβολή εντροπίας του σύμπαντος είναι μηδέν — που ορίζει τη μέγιστη απόδοση.

• ΔS_univ = 0 (αντιστρέψιμο)
• Ανταλλαγή εντροπίας

Σύνοψη έρευνας

Σχεδίασε την ερώτηση πριν ανοίξεις το εργαστήριο

Η σύνοψη κατοπτρίζει την προαποτυπωμένη σελίδα: η βασική ερώτηση, οι αντικρουόμενες προβλέψεις, οι ρόλοι των μεταβλητών, οι κύριοι νόμοι, η διάταξη, η ανάλυση και οι προεκτάσεις παραμένουν ορατά και με αυτή τη σειρά.

Βασική ερώτηση

Μηχανή Carnot ανταλλάσσει θερμότητα με ζεστή δεξαμενή κατά ένα σκέλος και με κρύα δεξαμενή κατά άλλο. Ακριβώς αναιρείται η απώλεια εντροπίας της ζεστής δεξαμενής από το κέρδος εντροπίας της κρύας;

Προβλέψεις προς σταθμίσει

• Οι μεταβολές εντροπίας των δεξαμενών δεν αναιρούνται· υπάρχει μη μηδενική καθαρή μεταβολή εντροπίας συνολικά.
• Ναι — για αντιστρέψιμο (Carnot) κύκλο, οι μεταβολές εντροπίας των δύο δεξαμενών αναιρούνται ακριβώς, δίνοντας μηδενική καθαρή παραγωγή εντροπίας.
• Οι μεταβολές εντροπίας των δεξαμενών δεν σχετίζονται με τη θερμότητα που ανταλλάσσεται με το αέριο.

Ρόλοι μεταβλητών

Τι ρυθμίζεις:

• Αριθμός σκέλους

Τι μετράς:

• Ανταλλαγμένη θερμότητα σε αυτό το σκέλος Q (J)
• Συνεισφορά εντροπίας ΔS = Q/T (J/K)

Πώς εκτελείται η έρευνα

1. Άνοιξε την προεπιλογή entropy-carnot και πάτησε Επαναφορά. Ο ίδιος κύκλος Carnot 4 σκελών με τον carnot-cycle τρέχει μεταξύ δεξαμενών 600 K και 300 K.
2. Ενεργοποίησε την ένδειξη θερμότητας ανά σκέλος.
3. Για κάθε σκέλος του κύκλου (1 έως 4), διάβασε την ανταλλαγμένη θερμότητα και υπολόγισε τη συνεισφορά εντροπίας εκείνου του σκέλους Q_leg/T_leg.

Κυρίαρχη εξίσωση

Ισοζύγιο εντροπίας δεξαμενών — ΔS = Qout/Tc − Qin/Th

Η εντροπία κάθε δεξαμενής αλλάζει κατά −Q/T για θερμότητα που απελευθερώνει (ή +Q/T για θερμότητα που απορροφά) στη δική της σταθερή θερμοκρασία. Για αντιστρέψιμο κύκλο όπως του Carnot, οι μεταβολές εντροπίας ζεστής και κρύας δεξαμενής αναιρούνται ακριβώς: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.

Τι ζητά να επεξεργαστούν οι μαθητές το εκτυπώσιμο φύλλο εργασίας

• Επιβεβαίωσε ότι τα σκέλη 2 και 4 (αδιαβατικά) συνεισφέρουν μηδενική εντροπία, αφού Q = 0 για εκείνα τα σκέλη εξ ορισμού. Άθροισε τις μη μηδενικές συνεισφορές από τα σκέλη 1 (στο Th = 600 K) και 3 (στο Tc = 300 K).
• Η θερμότητα που απορροφά το αέριο κατά το σκέλος 1 γίνεται θερμότητα που απελευθερώνει η ζεστή δεξαμενή· η θερμότητα που απελευθερώνει το αέριο κατά το σκέλος 3 γίνεται θερμότητα που απορροφά η κρύα δεξαμενή. Εξήγησε γιατί ο συνδυασμένη μεταβολή εντροπίας των δεξαμενών σε όλο τον κύκλο βγαίνει μηδέν.

Πού εμφανίζεται αυτό πέρα από το εργαστήριο

• Μια πραγματική μηχανή έχει τριβή και μεταφορά θερμότητας πεπερασμένης ταχύτητας, και τα δύο μη αντιστρέψιμα. Εξήγησε γιατί οι μεταβολές εντροπίας δεξαμενών πραγματικού κύκλου ΔΕΝ θα αναιρούνταν ακριβώς, δίνοντας θετική καθαρή παραγωγή εντροπίας — και γιατί ο δεύτερος νόμος απαιτεί αυτή την καθαρή παραγωγή να είναι ≥ 0.
• Η μηδενική καθαρή παραγωγή εντροπίας του κύκλου Carnot είναι ο λόγος που λέγεται «αντιστρέψιμος» — θα μπορούσες να τρέξεις κάθε σκέλος προς τα πίσω και να αναιρέσεις τα πάντα, συμπεριλαμβανομένων των καταστάσεων των δεξαμενών. Εξήγησε γιατί μια διεργασία με θετική καθαρή παραγωγή εντροπίας (όπως η τριβή) δεν μπορεί να αναιρεθεί έτσι.

• 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. Καλώς όρισες στην Εντροπία Carnot
2. Επίλεξε τον θάλαμο
3. Πάτησε Αναπαραγωγή
4. Εντροπία σε αντιστρέψιμο κύκλο
5. Άνοιξε το πάνελ Ιδιότητες
6. Το κατάφερες!

Άνοιξε τη διαδραστική προσομοίωση για να χτίσεις τη σκηνή, πάτησε Αναπαραγωγή και εξερεύνησε με ζωντανές μετρήσεις και καθοδηγούμενο μάθημα.

Άνοιγμα Διαδραστικού Εργαστηρίου →

Λήψη φύλλου εργασίας →

Εντροπία και δεύτερος νόμος