تغییر آنتروپی در انبساط همدمای بازگشت‌پذیر
1 · پیش‌بینی
گازی هم‌دما و بازگشت‌پذیر به حجمی بزرگ‌تر منبسط می‌شود. آنتروپی‌اش زیاد، کم یا همان می‌شود؟
- آنتروپی با پخش‌شدن گاز کم می‌شود.
- آنتروپی چون فرایند بازگشت‌پذیر است ثابت می‌ماند.
- آنتروپی زیاد می‌شود — گاز در حجم بزرگ‌تر چیدمان‌های ریز بیشتری دارد.
2 · آماده‌سازی
- پیش‌تنظیم آنتروپی-هم‌دما را باز کنید و Reset بزنید. 1 مول آرگون از 20 L و 300 K شروع می‌کند.
- قرائت‌های گرمای مبادله‌شده و تغییر آنتروپی را فعال کنید.
- حجم هدف (نهایی) را برای هر آزمایش تنظیم کنید و گرمای مبادله‌شده و تغییر آنتروپی را ثبت کنید.
3 · گردآوری داده
| حجم نهایی V₂ (L) | گرمای مبادله‌شده Q (J) | تغییر آنتروپی ΔS (J/K) |
|---|---|---|
| 30.00 | ||
| 40.00 | ||
| 60.00 |
برای سه آزمایش خود، تغییر آنتروپی ΔS (محور y) را برحسب ln(V₂/V₁) (محور x) رسم کنید، با V₁ = 0.02 m³.
4 · تحلیل
- برای یک آزمایش، Q = nRT·ln(V₂/V₁) را با n = 1 mol و R = 8.314 J/(mol·K) و T = 300 K حساب کنید، سپس ΔS = Q/T (یا مستقیماً ΔS = nR·ln(V₂/V₁)). هر دو را با جدول مقایسه کنید.
- توضیح دهید چرا ΔS در هر آزمایش این‌جا مثبت است و چرا انبساط بزرگ‌تر (V₂ بزرگ‌تر) افزایش آنتروپی بزرگ‌تری می‌دهد.
5 · گسترش
- این آزمایش انبساط بازگشت‌پذیر (بی‌نهایت کند) را فرض می‌کند. انبساط آزاد (مهارنشده) به خلأ تا همان حجم نهایی، دقیقاً همین ΔS را برای گاز تولید می‌کند، حتی وقتی اصلاً گرمایی تبادل نمی‌شود (Q = 0) و کاری انجام نمی‌شود. توضیح دهید چرا آنتروپی یک تابع حالت است و اهمیتی نمی‌دهد گاز چگونه از V₁ به V₂ رسیده است.
- قانون دوم می‌گوید آنتروپی کل (گاز به‌علاوهٔ محیط) برای فرایند واقعی هرگز کم نمی‌شود. برای این انبساط همدمای بازگشت‌پذیر، محیط (مخزن گرمایی که Q می‌دهد) دقیقاً به‌اندازهٔ دستاورد گاز آنتروپی می‌بازد. توضیح دهید چرا این تغییر آنتروپی کل را صفر می‌کند — نشانهٔ فرایند بازگشت‌پذیر.
فیزیک پشت این آزمایش
تغییر آنتروپی در فرایند همدمای بازگشت‌پذیر
برای انبساط همدمای بازگشت‌پذیر، تغییر آنتروپی برابر است با گرمای مبادله‌شده تقسیم بر دمای ثابت، که برای گاز ایده‌آل به ΔS = nR·ln(V₂/V₁) می‌رسد — آنتروپی با لگاریتم نسبت حجم بزرگ می‌شود.
ترمودینامیک
- قانون گاز ایده‌آل: فشار، حجم و دما
- نظریهٔ جنبشی: دما و تندی مولکولی
- تراکم هم‌دما: کار در دمای ثابت
- گرمایش همفشار: انبساط در فشار ثابت
- گرمایش همحجم: رشد فشار در حجم ثابت
- انبساط بیدررو: خنکشدن بیازدستدادن گرما
- کالریمتری: اختلاط گرم و سرد
- رسانش گرمایی: جریان گرما از میان میله
- چرخهٔ کارنو: بیشینهٔ ممکن بازده موتور
- چرخهٔ اوتو: مدل ایدهآلشدهٔ موتور بنزینی
- چرخهٔ معکوس کارنو: یک یخچال
- چرخهٔ استرلینگ: گامهای هم‌دما با بازیابی