Cambio de entropía en una expansión isotérmica reversible

1 · Predecir

Un gas se expande isotérmica y reversiblemente hasta alcanzar un volumen mayor. ¿Su entropía aumenta, disminuye o permanece igual?

• La entropía disminuye a medida que el gas se expande.
• La entropía permanece constante ya que el proceso es reversible.
• La entropía aumenta: el gas tiene más disposiciones microscópicas posibles a mayor volumen.

2 · Configurar

1. Abra el preajuste de entropía isotérmica y presione Restablecer. 1 mol de argón comienza en 20 L, 300 K.
2. Habilite las lecturas de intercambio de calor y cambio de entropía.
3. Establezca el volumen objetivo (final) para cada prueba y registre el calor intercambiado y el cambio de entropía.

3 · Recopilar Datos

Grafique el cambio de entropía ΔS (eje y) contra ln(V₂/V₁) (eje x) para sus tres pruebas, usando V₁ = 0.02 m³.

4 · Analizar

1. Para una prueba, calcule Q = nRT·ln(V₂/V₁) usando n = 1 mol, R = 8.314 J/(mol·K), T = 300 K, luego ΔS = Q/T (equivalentemente ΔS = nR·ln(V₂/V₁) directamente). Compare ambos con la tabla.
2. Explique por qué ΔS es positivo en todos los ensayos aquí y por qué una expansión mayor (V₂ mayor) produce un aumento de entropía mayor.

5 · Ampliar

1. Este experimento supone una expansión reversible (infinitamente lenta). Una expansión libre (incontrolada) al vacío hasta el mismo volumen final produciría exactamente el mismo ΔS para el gas, aunque no se intercambie calor en absoluto (Q = 0) y no se realice ningún trabajo. Explique por qué la entropía es una función de estado a la que no le importa cómo llegó el gas de V₁ a V₂.
2. La segunda ley dice que la entropía total (gas más entorno) nunca puede disminuir en un proceso real. Para esta expansión isotérmica reversible, el entorno (el depósito de calor que suministra Q) pierde exactamente tanta entropía como gana el gas. Explique por qué eso hace que el cambio de entropía total sea cero: la firma de un proceso reversible.

La física detrás de este experimento

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