カルノーサイクルにおけるエントロピー収支

1 · 予測

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？

• 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。

2 · 準備

1. 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。
2. 各過程の熱の表示を有効にする。
3. 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。

3 · データ収集

4過程のエントロピー寄与を合計する。各過程の寄与を棒グラフにし、過程2と4（断熱、Q = 0）はゼロとして示す。

4 · 分析

1. 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。
2. 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。

5 · 発展

1. 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。
2. 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。

この実験の物理

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