Balance de entropía a lo largo de un ciclo de Carnot
1 · Predecir
Una máquina de Carnot intercambia calor con un depósito caliente durante un tramo y un depósito frío durante el otro. ¿La pérdida de entropía del reservorio caliente cancela exactamente la ganancia de entropía del reservorio frío?
- Los cambios de entropía de los reservorios no se cancelan; hay un cambio de entropía neto distinto de cero en general.
- Sí, para un ciclo reversible (Carnot), los cambios de entropía de los dos reservorios se cancelan exactamente, dando una generación neta de entropía cero.
- Los cambios de entropía del yacimiento no están relacionados con el calor intercambiado con el gas.
2 · Configurar
- Abra el ajuste preestablecido de entropía-carnot y presione Restablecer. El mismo ciclo de Carnot de tramo 4 que el ciclo de Carnot corre entre los embalses 600 K y 300 K.
- Habilite la lectura de calor por pierna.
- Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el calor intercambiado y calcule la contribución de entropía de ese tramo Q_leg/T_leg.
3 · Recopilar Datos
| número de pierna | El calor intercambió esta pierna Q (J) | Contribución de entropía ΔS = Q/T (J/K) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Sume las contribuciones de entropía de sus 4 legs. Trace la contribución de cada tramo como un gráfico de barras, donde los tramos 2 y 4 (adiabáticos, Q = 0) muestren cero.
4 · Analizar
- Confirme que los tramos 2 y 4 (adiabáticos) no aportan entropía, ya que Q = 0 en esos tramos por definición. Sume las contribuciones distintas de cero de los tramos 1 (a Th = 600 K) y 3 (a Tc = 300 K).
- El calor absorbido por el gas durante el tramo 1 se convierte en calor liberado por el depósito caliente; El calor liberado por el gas durante el tramo 3 se convierte en calor absorbido por el depósito de frío. Explique por qué el cambio de entropía combinado de los reservorios durante el ciclo completo llega a cero.
5 · Ampliar
- Un motor real tiene fricción y transferencia de calor a velocidad finita, ambas irreversibles. Explique por qué los cambios de entropía del yacimiento de un ciclo real NO se cancelarían exactamente, dando una generación neta de entropía positiva, y por qué la segunda ley requiere que esa generación neta sea ≥ 0.
- La generación de entropía neta cero del ciclo de Carnot es la razón por la que se le llama "reversible": se pueden ejecutar todos los tramos hacia atrás y deshacer todo, incluidos los estados de los reservorios. Explique por qué un proceso con generación neta de entropía positiva (como la fricción) no se puede deshacer de esta manera.
La física detrás de este experimento
Balance de entropía del yacimiento
La entropía de cada depósito cambia en −Q/T para el calor que libera (o +Q/T para el calor que absorbe) a su propia temperatura fija. Para un ciclo reversible como el de Carnot, los cambios de entropía de los reservorios frío y caliente se cancelan exactamente: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.