Equilíbrio de entropia ao longo de um ciclo de Carnot
1 · Prever
Uma máquina de Carnot troca calor com um reservatório quente durante uma etapa e um reservatório frio durante a outra. A perda de entropia do reservatório quente cancela exatamente o ganho de entropia do reservatório frio?
- As mudanças de entropia dos reservatórios não são canceladas; há uma mudança geral de entropia líquida diferente de zero.
- Sim - para um ciclo reversível (Carnot), as alterações de entropia dos dois reservatórios são exatamente canceladas, resultando em geração líquida de entropia zero.
- As mudanças na entropia do reservatório não estão relacionadas ao calor trocado com o gás.
2 · Preparar
- Abra a predefinição entropy-carnot e pressione Redefinir. O mesmo ciclo de Carnot da 4 etapa que o ciclo de carnot ocorre entre os reservatórios 600 K e 300 K.
- Ative a leitura de calor por etapa.
- Para cada etapa do ciclo (1 até 4), leia o calor trocado e calcule a contribuição de entropia dessa etapa Q_leg/T_leg.
3 · Coletar Dados
| Número da etapa | Calor trocou esta etapa Q (J) | Contribuição de entropia ΔS = Q/T (J/K) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Some as contribuições de entropia de suas 4 legs. Trace a contribuição de cada etapa como um gráfico de barras, com as 2 etapas e 4 (adiabática, Q = 0) mostrando zero.
4 · Analisar
- Confirme que as etapas 2 e 4 (adiabáticas) não contribuem com entropia, já que Q = 0 nessas etapas por definição. Some as contribuições diferentes de zero das etapas 1 (em Th = 600 K) e 3 (em Tc = 300 K).
- O calor absorvido pelo gás durante a 1 etapa transforma-se em calor liberado pelo reservatório quente; o calor liberado pelo gás durante a 3 etapa torna-se calor absorvido pelo reservatório frio. Explique por que a variação combinada da entropia dos reservatórios ao longo do ciclo completo chega a zero.
5 · Aprofundar
- Um motor real tem atrito e transferência de calor em velocidade finita, ambos irreversíveis. Explique por que as mudanças na entropia do reservatório de um ciclo real NÃO seriam canceladas exatamente, dando uma geração líquida de entropia positiva - e por que a segunda lei exige que a geração líquida seja ≥ 0.
- A geração de entropia líquida zero do ciclo de Carnot é a razão pela qual ele é chamado de “reversível” – você poderia retroceder cada etapa e desfazer tudo, incluindo os estados dos reservatórios. Explique por que um processo com geração de entropia líquida positiva (como o atrito) não pode ser desfeito dessa maneira.
A física por trás deste experimento
Balanço de Entropia do Reservatório
A entropia de cada reservatório muda em −Q/T para o calor que ele libera (ou +Q/T para o calor que absorve) em sua própria temperatura fixa. Para um ciclo reversível como o de Carnot, as mudanças de entropia dos reservatórios quentes e frios são exatamente canceladas: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.