熱力学
等温膨張—エントロピー変化
可逆等温膨張：ΔS = nR ln(V₂/V₁) = Q/T。
等温膨張—エントロピー変化 — インタラクティブな熱力学シミュレーション。可逆等温膨張：ΔS = nR ln(V₂/V₁) = Q/T。 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。
エントロピー変化
可逆等温膨張：ΔS = nR ln(V₂/V₁) = Q/T です。
エントロピー変化はエネルギーがどれだけ広がるかを測ります。可逆等温膨張では、気体は温度を一定に保ちながら熱Qを吸収し、同じエネルギーがより多くの微視的状態を持つより大きな体積を占めるため、エントロピーが増加します。
- ΔS = nR ln(V₂/V₁)
- ΔS = Q_rev/T
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
気体が等温かつ可逆的に、より大きな体積へ膨張する。エントロピーは増加するか、減少するか、それとも変わらないか？
検討する予測
- 気体が広がるにつれてエントロピーは減少する。
- 過程は可逆なのでエントロピーは一定である。
- エントロピーは増加する — 体積が大きいほど、微視的な配置の可能性が増える。
可変的な役割
設定するもの：
- 最終体積 V₂ (L)
測定するもの：
- 交換熱 Q (J)
- エントロピー変化 ΔS (J/K)
実験の進め方
- entropy-isothermal プリセットを開き、「リセット」を押す。アルゴン 1 mol は 20 L、300 K から始まる。
- 交換熱とエントロピー変化の表示を有効にする。
- 各試行の目標（最終）体積を設定し、交換熱とエントロピー変化を記録する。
支配方程式
可逆等温過程のエントロピー変化 — ΔS = Q/T
可逆等温膨張では、エントロピー変化は交換熱を一定温度で割った値であり、理想気体では ΔS = nR·ln(V₂/V₁) となる。エントロピーは体積比の対数とともに増加する。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について、n = 1 mol、R = 8.314 J/(mol·K)、T = 300 K を用いて Q = nRT·ln(V₂/V₁) を計算し、次に ΔS = Q/T を計算する（同じことだが ΔS = nR·ln(V₂/V₁) を直接使ってもよい）。両方を表と比較する。
- この実験のすべての試行で ΔS が正である理由と、膨張が大きい（V₂ が大きい）ほどエントロピー増加が大きくなる理由を説明する。
実験以外での活用
- この実験は可逆（無限に遅い）膨張を仮定する。同じ最終体積まで真空へ自由（制御されない）膨張を行うと、熱交換がまったくなく（Q = 0）、仕事もされないのに、気体の ΔS は正確に同じになる。エントロピーが状態関数であり、気体が V₁ から V₂ へどう移ったかを気にしない理由を説明する。
- 第二法則によれば、実在の過程で全エントロピー（気体と周囲）が減少することはない。この可逆等温膨張では、周囲（Q を供給する熱源）が失うエントロピーは気体が得る量と正確に同じである。全エントロピー変化がゼロになる理由と、それが可逆過程の特徴である理由を説明する。
- 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
- エントロピー（等温）へようこそ
- チャンバーを選択
- 再生
- 体積変化によるエントロピー
- 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。