熱力学
可逆カルノーサイクル—エントロピー
可逆カルノーサイクルは熱源とエントロピーを交換します—正味の宇宙エントロピー変化 ΔS_univ ≈ 0。
可逆カルノーサイクル—エントロピー — インタラクティブな熱力学シミュレーション。可逆カルノーサイクルは熱源とエントロピーを交換します—正味の宇宙エントロピー変化 ΔS_univ ≈ 0。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
可逆エントロピー
可逆カルノーサイクルは熱源とエントロピーを交換します：ΔS_univ の正味はほぼ0です。
完全に可逆なサイクルでは、系のエントロピーは初期値に戻りますが、高温熱源はQ_h/T_hのエントロピーを失い、低温熱源は同じ大きさのQ_c/T_cを得ます。宇宙全体のエントロピー変化はゼロです — これが最大効率を定義します。
- ΔS_univ = 0（可逆）
- エントロピー交換
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
カルノー機関は、ある過程で高温熱源、別の過程で低温熱源と熱を交換する。高温熱源のエントロピー損失は、低温熱源のエントロピー増加を正確に相殺するか？
検討する予測
- 熱源のエントロピー変化は相殺されず、全体としてゼロでない正味のエントロピー変化がある。
- はい — 可逆な（カルノー）サイクルでは、二つの熱源のエントロピー変化は正確に相殺され、正味のエントロピー生成はゼロになる。
- 熱源のエントロピー変化は、気体と交換される熱とは関係がない。
可変的な役割
設定するもの：
- 過程番号
測定するもの：
- この過程で交換された熱 Q (J)
- エントロピー寄与 ΔS = Q/T (J/K)
実験の進め方
- entropy-carnot プリセットを開き、「リセット」を押す。carnot-cycle と同じ4過程のカルノーサイクルが、600 K と 300 K の熱源の間で動く。
- 各過程の熱の表示を有効にする。
- サイクルの各過程（1から4）について、交換された熱を読み取り、その過程のエントロピー寄与 Q_leg/T_leg を計算する。
支配方程式
熱源のエントロピー収支 — ΔS = Qout/Tc − Qin/Th
各熱源のエントロピーは、固有の一定温度で放出する熱について −Q/T（吸収する熱について +Q/T）だけ変化する。カルノーのような可逆サイクルでは、高温熱源と低温熱源のエントロピー変化が正確に相殺される：ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 過程2と4（断熱）は定義上 Q = 0 なのでエントロピーにゼロしか寄与しないことを確認する。過程1（Th = 600 K）と過程3（Tc = 300 K）のゼロでない寄与を合計する。
- 過程1で気体が吸収した熱は高温熱源が放出した熱になり、過程3で気体が放出した熱は低温熱源が吸収した熱になる。完全なサイクルで二つの熱源の合計エントロピー変化がゼロになる理由を説明する。
実験以外での活用
- 実際の機関には摩擦と有限速度の熱伝達があり、どちらも不可逆である。実際のサイクルでは熱源のエントロピー変化が正確には相殺されず、正の正味エントロピー生成になる理由と、第二法則がその生成を ≥ 0 と要求する理由を説明する。
- カルノーサイクルの正味エントロピー生成がゼロなのは、それを「可逆」と呼ぶ理由である。各過程を逆にして、熱源の状態を含めすべてを元に戻せる。摩擦のように正の正味エントロピー生成をもつ過程が、このように元に戻せない理由を説明する。
- 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
- 可逆エントロピーへようこそ
- チャンバーを選択
- 再生
- 可逆サイクル中のエントロピー
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。