Équilibre d'entropie à travers un cycle de Carnot
1 · Prédire
Un moteur Carnot échange de la chaleur avec un réservoir chaud pendant une étape et un réservoir froid pendant une autre. La perte d'entropie du réservoir chaud annule-t-elle exactement le gain d'entropie du réservoir froid ?
- Les changements d'entropie des réservoirs ne s'annulent pas ; il y a un changement d'entropie net non nul dans l'ensemble.
- Oui - pour un cycle réversible (Carnot), les changements d'entropie des deux réservoirs s'annulent exactement, ce qui donne une génération d'entropie nette nulle.
- Les changements d'entropie du réservoir ne sont pas liés à la chaleur échangée avec le gaz.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage entropie-carnot et appuyez sur Réinitialiser. Le même cycle Carnot 4 que le cycle Carnot s'exécute entre les réservoirs 600 K et 300 K.
- Activez la lecture de la chaleur par étape.
- Pour chaque étape du cycle (1 à 4), lisez la chaleur échangée et calculez la contribution à l'entropie de cette étape Q_leg/T_leg.
3 · Collecter les Données
| Numéro d'étape | Chaleur échangée cette étape Q (J) | Contribution entropique ΔS = Q/T (J/K) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Additionnez les contributions entropiques de vos 4 legs. Tracez la contribution de chaque étape sous forme de graphique à barres, avec les étapes 2 et 4 (adiabatique, Q = 0) affichant zéro.
4 · Analyser
- Confirmez que les étapes 2 et 4 (adiabatiques) ne contribuent pas à l'entropie, puisque Q = 0 pour ces étapes par définition. Additionnez les contributions non nulles des étapes 1 (à Th = 600 K) et 3 (à Tc = 300 K).
- La chaleur absorbée par le gaz lors de l'étape 1 devient de la chaleur dégagée par le réservoir chaud ; la chaleur dégagée par le gaz lors de l'étape 3 devient chaleur absorbée par le réservoir froid. Expliquez pourquoi le changement d'entropie combiné des réservoirs au cours du cycle complet devient nul.
5 · Approfondir
- Un vrai moteur a une friction et un transfert de chaleur à vitesse finie, tous deux irréversibles. Expliquez pourquoi les changements d'entropie du réservoir d'un cycle réel ne s'annuleraient PAS exactement, donnant une génération d'entropie nette positive - et pourquoi la deuxième loi exige que cette génération nette soit ≥ 0.
- La génération d'entropie nette nulle du cycle Carnot est la raison pour laquelle il est appelé « réversible » : vous pouvez faire reculer chaque étape et tout annuler, y compris les états des réservoirs. Expliquez pourquoi un processus avec une génération d'entropie nette positive (comme la friction) ne peut pas être annulé de cette façon.
La physique derrière cette expérience
Équilibre d'entropie du réservoir
L'entropie de chaque réservoir change de −Q/T pour la chaleur qu'il libère (ou +Q/T pour la chaleur qu'il absorbe) à sa propre température fixe. Pour un cycle réversible comme celui de Carnot, les changements d'entropie des réservoirs chaud et froid s'annulent exactement : ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.