Изменение энтропии при обратимом изотермическом расширении

1 · Прогноз

Газ изотермически и обратимо расширяется до большего объёма. Его энтропия растёт, убывает или остаётся той же?

• Энтропия убывает по мере растекания газа.
• Энтропия постоянна, раз процесс обратим.
• Энтропия растёт — у газа больше возможных микроскопических размещений при большем объёме.

2 · Подготовка

1. Откройте пресет изотермической энтропии и нажмите «Сброс». 1 mol аргона стартует при 20 L, 300 K.
2. Включите показания обменённой теплоты и изменения энтропии.
3. Задайте целевой (конечный) объём для каждой пробы и запишите обменённую теплоту и изменение энтропии.

3 · Сбор данных

Постройте график изменения энтропии ΔS (ось y) против ln(V₂/V₁) (ось x) для трёх проб, используя V₁ = 0.02 м³.

4 · Анализ

1. Для одной пробы вычислите Q = nRT·ln(V₂/V₁), используя n = 1 моль; R = 8.314 Дж/(моль·К); T = 300 K, затем ΔS = Q/T (эквивалентно сразу ΔS = nR·ln(V₂/V₁)). Сравните оба значения с таблицей.
2. Объясните, почему ΔS положительна в каждой пробе здесь и почему большее расширение (больший V₂) даёт больший рост энтропии.

5 · Развитие

1. Этот эксперимент предполагает обратимое (бесконечно медленное) расширение. Свободное (неконтролируемое) расширение в вакуум до того же конечного объёма дало бы газу ровно ту же ΔS, хотя теплообмена нет вовсе (Q = 0) и работа не совершается. Объясните, почему энтропия — функция состояния, которой безразлично, как газ перешёл из V₁ в V₂.
2. Второе начало говорит, что суммарная энтропия (газ плюс окружение) не может убывать для реального процесса. Для этого обратимого изотермического расширения окружение (резервуар, отдающий Q) теряет ровно столько энтропии, сколько получает газ. Объясните, почему это делает полное изменение энтропии нулевым — признак обратимого процесса.

Физика этого эксперимента

← Вернуться к эксперименту