Термодинамика
Обратимый цикл Карно — энтропия
Обратимый цикл Карно обменивается энтропией с резервуарами — чистое ΔS_univ ≈ 0.
Обратимый цикл Карно — энтропия — интерактивная симуляция (Термодинамика). Обратимый цикл Карно обменивается энтропией с резервуарами — чистое ΔS_univ ≈ 0. Бесплатная виртуальная физическая лаборатория в браузере с живыми измерениями в СИ и сопровождаемым туром.
Обратимая энтропия
Обратимый цикл Карно обменивается энтропией с резервуарами — чистое ΔS_univ ≈ 0.
За полный обратимый цикл энтропия системы возвращается к стартовому значению, а горячий резервуар теряет энтропию Q_h/T_h и холодный получает Q_c/T_c равной величины. Полное изменение энтропии вселенной нулевое — это определяет максимальный КПД.
- ΔS_univ = 0 (обратимый)
- Обмен энтропией
Краткое описание исследования
Спланируйте вопрос до открытия лаборатории
Краткое описание повторяет предрендеренную страницу: движущий вопрос, конкурирующие прогнозы, роли переменных, определяющие законы, ход работы, анализ и задания для развития остаются видимыми и в этом порядке.
Движущий вопрос
Двигатель Карно обменивается теплотой с горячим резервуаром на одном участке и с холодным на другом. Точно ли компенсируется потеря энтропии горячего резервуара приростом энтропии холодного?
Прогнозы для взвешивания
- Изменения энтропии резервуаров не компенсируются; есть ненулевое чистое изменение энтропии.
- Да — для обратимого (Карно) цикла изменения энтропии двух резервуаров точно компенсируются, давая нулевую чистую генерацию энтропии.
- Изменения энтропии резервуаров не связаны с теплотой, обменённой с газом.
Роли переменных
Что вы задали:
- Номер участка
Что вы измеряете:
- Обменённая теплота участка Q (J)
- Вклад в энтропию ΔS = Q/T (J/K)
Как идёт исследование
- Откройте пресет энтропии Карно и нажмите «Сброс». Тот же 4-участковый цикл Карно, что в carnot-cycle, идёт между резервуарами 600 K и 300 K.
- Включите показание теплоты по участкам.
- Для каждого участка цикла (от 1 до 4) считайте обменённую теплоту и вычисляйте вклад участка в энтропию Q_leg/T_leg.
Определяющее уравнение
Баланс энтропии резервуаров — ΔS = Qout/Tc − Qin/Th
Энтропия каждого резервуара меняется на −Q/T при отдаче тепла (или на +Q/T при поглощении) при его собственной фиксированной температуре. Для обратимого цикла, как у Карно, изменения энтропии горячего и холодного резервуаров точно сокращаются: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.
Что печатный рабочий лист предлагает учащимся вывести
- Убедитесь, что этапы 2 и 4 (адиабатные) дают нулевую энтропию: для них Q = 0 по определению. Просуммируйте ненулевые вклады этапа 1 (при Th = 600 K) и этапа 3 (при Tc = 300 K).
- Теплота, поглощённая газом на участке 1, становится теплотой, выделенной горячим резервуаром; теплота, выделенная газом на участке 3, становится теплотой, поглощённой холодным резервуаром. Объясните, почему суммарное изменение энтропии резервуаров за полный цикл выходит нулевым.
Где это проявляется за пределами лаборатории
- У реального двигателя есть трение и теплопередача конечной скорости — оба необратимы. Объясните, почему изменения энтропии резервуаров реального цикла НЕ компенсируются точно, давая положительную чистую генерацию энтропии — и почему второе начало требует, чтобы чистая генерация была ≥ 0.
- Нулевая чистая генерация энтропии цикла Карно — причина названия «обратимый»: можно запустить каждый участок назад и отменить всё, включая состояния резервуаров. Объясните, почему процесс с положительной чистой генерацией энтропии (как трение) так отменить нельзя.
- 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
- Добро пожаловать к энтропии Карно
- Выберите камеру
- Нажмите Play
- Энтропия в обратимом цикле
- Откройте панель свойств
- Готово!
Откройте интерактивную симуляцию, чтобы собрать сцену, нажать Play и исследовать с живыми измерениями и сопровождаемым туром.
Открыть интерактивную лабораторию →