Zmiana entropii w odwracalnym rozprężaniu izotermicznym

1 · Prognoza

Gaz rozpręża się izotermicznie i odwracalnie do większej objętości. Czy jego entropia rośnie, maleje czy pozostaje ta sama?

• Entropia maleje, gdy gaz się rozprasza.
• Entropia pozostaje stała, bo przemiana jest odwracalna.
• Entropia rośnie — gaz ma więcej możliwych mikroskopowych układów przy większej objętości.

2 · Przygotowanie

1. Otwórz preset entropii izotermicznej i naciśnij Reset. 1 mol argonu startuje od 20 L, 300 K.
2. Włącz odczyty wymienionego ciepła i zmiany entropii.
3. Ustaw objętość docelową (końcową) dla każdej próby, i zapisz wymienione ciepło i zmianę entropii.

3 · Zbieranie danych

Wykreśl zmianę entropii ΔS (oś y) względem ln(V₂/V₁) (oś x) dla trzech prób, używając V₁ = 0.02 m³.

4 · Analiza

1. Dla jednej próby oblicz Q = nRT·ln(V₂/V₁), używając n = 1 mol; R = 8.314 J/(mol·K); T = 300 K, a potem ΔS = Q/T (równoważnie od razu ΔS = nR·ln(V₂/V₁)). Porównaj obie wartości z tabelą.
2. Wyjaśnij, dlaczego ΔS jest dodatnie w każdej próbie i dlaczego większe rozprężenie (większe V₂) daje większy wzrost entropii.

5 · Rozszerzenie

1. Ten eksperyment zakłada odwracalne (nieskończenie wolne) rozprężanie. Swobodne (niekontrolowane) rozprężenie do próżni do tej samej objętości końcowej dałoby gazowi dokładnie tę samą ΔS, choć nie ma żadnej wymiany ciepła (Q = 0) i nie wykonano pracy. Wyjaśnij, dlaczego entropia jest funkcją stanu, której nie obchodzi, jak gaz przeszedł z V₁ do V₂.
2. Druga zasada mówi, że całkowita entropia (gaz plus otoczenie) nigdy nie może maleć w prawdziwym procesie. Dla tego odwracalnego rozprężania izotermicznego otoczenie (zbiornik dostarczający Q) traci dokładnie tyle entropii, ile gaz zyskuje. Wyjaśnij, dlaczego to czyni całkowitą zmianę entropii zerową — sygnaturę procesu odwracalnego.

Fizyka tego eksperymentu

← Wróć do eksperymentu