Keseimbangan Entropi pada Siklus Carnot
1 · Memprediksi
Mesin Carnot menukar panas dengan reservoir panas pada satu bagian dan reservoir dingin pada bagian lainnya. Apakah hilangnya entropi reservoir panas membatalkan perolehan entropi reservoir dingin?
- Perubahan entropi reservoir tidak membatalkan; ada perubahan entropi bersih yang bukan nol secara keseluruhan.
- Ya — untuk siklus reversibel (Carnot), perubahan entropi kedua reservoir benar-benar dibatalkan, sehingga menghasilkan entropi bersih nol.
- Perubahan entropi reservoir tidak berhubungan dengan pertukaran panas dengan gas.
2 · Pengaturan
- Buka preset entropi-carnot dan tekan Reset. Siklus Carnot 4 kaki yang sama dengan siklus carnot berjalan antara reservoir 600 K dan 300 K.
- Aktifkan pembacaan panas per kaki.
- Untuk setiap bagian siklus (1 hingga 4), baca perpindahan kalor dan hitung kontribusi entropi bagian tersebut Q_leg/T_leg.
3 · Kumpulkan Data
| Nomor kaki | Panas menukar kaki ini Q (J) | Kontribusi entropi ΔS = Q/T (J/K) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Jumlahkan kontribusi entropi 4 kaki Anda. Plot kontribusi masing-masing bagian dalam diagram batang, dengan bagian 2 dan 4 (adiabatik, Q = 0) menunjukkan nol.
4 · Analisis
- Pastikan kaki 2 dan 4 (adiabatik) menyumbang entropi nol, karena Q = 0 untuk kaki tersebut menurut definisi. Jumlahkan kontribusi bukan nol dari bagian 1 (pada Th = 600 K) dan 3 (pada Tc = 300 K).
- Panas yang diserap oleh gas pada tahap 1 menjadi panas yang dilepaskan oleh reservoir panas; panas yang dilepaskan oleh gas selama tahap 3 menjadi panas yang diserap oleh reservoir dingin. Jelaskan mengapa perubahan entropi gabungan reservoir selama satu siklus penuh menghasilkan nol.
5 · Perluas
- Mesin sebenarnya mempunyai gesekan dan perpindahan panas berkecepatan terbatas, keduanya tidak dapat diubah. Jelaskan mengapa perubahan entropi reservoir siklus nyata TIDAK akan hilang secara pasti, sehingga menghasilkan entropi bersih yang positif — dan mengapa hukum kedua mengharuskan pembangkitan bersih tersebut menjadi ≥ 0.
- Generasi entropi bersih nol pada siklus Carnot adalah alasan mengapa siklus ini disebut 'reversibel' - Anda dapat menjalankan setiap langkah mundur dan membatalkan segalanya, termasuk status reservoir. Jelaskan mengapa proses dengan pembangkitan entropi bersih positif (seperti gesekan) tidak dapat dibatalkan dengan cara ini.
Fisika di Balik Eksperimen Ini
Keseimbangan Entropi Reservoir
Entropi setiap reservoir berubah sebesar −Q/T untuk panas yang dilepaskannya (atau +Q/T untuk panas yang diserapnya) pada suhu tetapnya. Untuk siklus reversibel seperti siklus Carnot, perubahan entropi reservoir panas dan dingin sama persis dibatalkan: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.