Termodynamiikka
Käänteinen Carnot'n sykli – entropia
Käänteinen Carnot'n sykli vaihtaa entropiaa säiliöiden kanssa – nettomuutos ΔS_univ ≈ 0.
Käänteinen Carnot'n sykli – entropia – interaktiivinen Termodynamiikka-simulaatio. Käänteinen Carnot'n sykli vaihtaa entropiaa säiliöiden kanssa – nettomuutos ΔS_univ ≈ 0. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.
Käänteinen entropia
Käänteinen Carnot'n sykli vaihtaa entropiaa säiliöiden kanssa – nettomuutos ΔS_univ ≈ 0.
Täydellisessä käänteisessä syklissä järjestelmän entropia palaa lähtöarvoonsa, kun taas kuuma säiliö menettää entropiaa Q_h/T_h ja kylmä säiliö saa Q_c/T_c saman suuruisena. Maailmankaikkeuden kokonaisentropian muutos on nolla – se määrittelee suurimman hyötysuhteen.
- ΔS_univ = 0 (käänteinen)
- Entropian vaihto
Tutkimustiivistelmä
Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista
Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.
Tutkimuskysymys
Carnot'n moottori vaihtaa lämpöä kuumasäiliön kanssa yhden etapin aikana ja kylmäsäiliön kanssa toisen aikana. Kumoavatko kuumasäiliön entropiahäviö ja kylmäsäiliön entropiavoitto täsmälleen toisensa?
Punniteltavat ennusteet
- Säiliöiden entropiamuutokset eivät kumoa; kokonaisuutena on nollasta poikkeava nettoentropiamuutos.
- Kyllä – käänteiselle (Carnot'n) syklille kahden säiliön entropiamuutokset kumoavat täsmälleen, antaen nolla nettoentropian tuotto.
- Säiliöiden entropiamuutokset eivät liity kaasun kanssa vaihdettuun lämpöön.
Muuttujien roolit
Mitä asetat:
- Etapin numero
Mitä mittaat:
- Vaihdettu lämpö tällä etapilla Q (J)
- Entropiaosuus ΔS = Q/T (J/K)
Miten tutkimus etenee
- Avaa Carnot'n entropia-esiasetus ja paina Nollaa. Sama 4-etappinen Carnot'n sykli kuin carnot-cycle käy arvojen 600 K ja 300 K säiliöiden välillä.
- Ota käyttöön etappikohtainen lämpö-lukema.
- Jokaiselle syklin etapille (1–4) lue vaihdettu lämpö ja laske kyseisen etapin entropiaosuus Q_leg/T_leg.
Hallitseva yhtälö
Säiliöiden entropiatase — ΔS = Qout/Tc − Qin/Th
Kunkin säiliön entropia muuttuu arvolla −Q/T vapautamalleen lämmölle (tai +Q/T imemälleen lämmölle) omalla kiinteällä lämpötilallaan. Käänteiselle syklille, kuten Carnot'n, kuuman ja kylmän säiliön entropiamuutokset kumoavat täsmälleen: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.
Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään
- Varmenna, että etapit 2 ja 4 (adiabaattiset) tuottavat nolla entropiaa, koska Q = 0 niille etapeille määritelmän mukaan. Summaa nollasta poikkeavat osuudet etapeista 1 (kohdassa Th = 600 K) ja 3 (kohdassa Tc = 300 K).
- Kaasun etapissa 1 imemä lämpö tulee kuumasäiliön vapauttamasta lämmöstä; kaasun etapissa 3 vapauttama lämpö tulee kylmäsäiliön imemästä lämmöstä. Selitä, miksi säiliöiden yhdistetty entropiamuutos koko syklin yli tulee nollaksi.
Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella
- Todellisessa moottorissa on kitkaa ja ärellisen nopeuden lämmönsiirtoa, molemmat irreversiibelejä. Selitä, miksi todellisen syklin säiliöentropiamuutokset EIVÄT kumoaisi täsmälleen, antaen positiivisen nettoentropian tuoton – ja miksi toinen laki vaatii tuon nettotuoton olevan ≥ 0.
- Carnot'n syklin nolla nettoentropian tuotto on syy, miksi sitä kutsutaan ”käänteiseksi” – voisit ajaa jokaisen etapin taaksepäin ja perua kaiken, myös säiliöiden tilat. Selitä, miksi positiivista nettoentropian tuottoa tuottavaa prosessia (kuten kitkaa) ei voi perua näin.
- 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
- Tervetuloa Carnot'n entropiaan
- Valitse kammio
- Paina Toista
- Entropia käänteisessä syklissä
- Avaa Ominaisuudet-paneeli
- Onnistuit!
Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.
Avaa interaktiivinen laboratorio →