Entropiebalans over een Carnotcyclus

1 · Voorspel

Een Carnotmachine wisselt tijdens één etappe warmte uit met een heet reservoir en tijdens een andere met een koud reservoir. Compenseert het entropieverlies van het hete reservoir de entropiewinst van het koude reservoir exact?

• De entropieveranderingen van de reservoirs heffen elkaar niet op; er is in totaal een entropieverandering ongelijk aan nul.
• Ja — bij een omkeerbare (Carnot-)cyclus heffen de entropieveranderingen van de twee reservoirs elkaar exact op, wat nul netto entropieproductie geeft.
• De entropieveranderingen van de reservoirs hangen niet samen met de warmte die met het gas wordt uitgewisseld.

2 · Opstelling

1. Open de voorinstelling entropy-carnot en druk op Herstel. Dezelfde 4-etappe Carnotcyclus als carnot-cycle loopt tussen reservoirs van 600 K en 300 K.
2. Zet de aflezing van de warmte per etappe aan.
3. Lees voor elke etappe van de cyclus (1 tot en met 4) de uitgewisselde warmte af en bereken de entropiebijdrage van die etappe Q_leg/T_leg.

3 · Verzamel gegevens

Tel je 4 entropiebijdragen bij elkaar op. Zet de bijdrage van elke etappe in een staafdiagram, met etappe 2 en 4 (adiabatisch, Q = 0) op nul.

4 · Analyseer

1. Controleer dat etappe 2 en 4 (adiabatisch) nul entropie bijdragen, want voor die etappes is per definitie Q = 0. Tel de bijdragen ongelijk aan nul van etappe 1 (bij Th = 600 K) en 3 (bij Tc = 300 K) bij elkaar op.
2. De warmte die het gas tijdens etappe 1 opneemt wordt warmte die het hete reservoir afstaat; de warmte die het gas tijdens etappe 3 afstaat wordt warmte die het koude reservoir opneemt. Leg uit waarom de gecombineerde entropieverandering van de reservoirs over de volledige cyclus op nul uitkomt.

5 · Verdiep

1. Een echte machine heeft wrijving en warmteoverdracht met eindige snelheid, beide onomkeerbaar. Leg uit waarom de entropieveranderingen van de reservoirs bij een echte cyclus NIET exact zouden opheffen, wat een positieve netto entropieproductie geeft — en waarom de tweede hoofdwet vereist dat die nettoproductie ≥ 0 is.
2. De nul netto entropieproductie van de Carnotcyclus is waarom hij 'omkeerbaar' heet — je zou elke etappe achteruit kunnen draaien en alles ongedaan maken, inclusief de toestanden van de reservoirs. Leg uit waarom een proces met positieve netto entropieproductie (zoals wrijving) niet op die manier ongedaan kan worden gemaakt.

De natuurkunde achter dit experiment

← Terug naar experiment

138 gratis printbare labwerkbladen voor natuurkunde