Термодинаміка

Зворотний цикл Карно — ентропія

Зворотний цикл Карно обмінюється ентропією з резервуарами — чисте ΔS_univ ≈ 0.

Зворотний цикл Карно — ентропія — інтерактивне моделювання: Термодинаміка. Зворотний цикл Карно обмінюється ентропією з резервуарами — чисте ΔS_univ ≈ 0. Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.

Зворотна ентропія

Зворотний цикл Карно обмінюється ентропією з резервуарами — чисте ΔS_univ ≈ 0.

За повного зворотного циклу ентропія системи повертається до початкового значення, тоді як гарячий резервуар втрачає ентропію Q_h/T_h, а холодний набирає Q_c/T_c тієї самої величини. Сумарна зміна ентропії всесвіту нульова — це визначає максимальну ефективність.

• ΔS_univ = 0 (зворотний)
• Обмін ентропією

Короткий опис дослідження

Сплануйте запитання, перш ніж відкрити лабораторію

Короткий відповідає передрендереній сторінці: рушійне запитання, конкуруючі прогнози, ролі змінних, керівні закони, установка, аналіз і підсилення лишаються видимими та в цьому порядку.

Рушійне запитання

Машина Карно обмінюється теплотою з гарячим резервуаром в один такт і з холодним в інший. Чи втрата ентропії гарячим резервуаром точно компенсує приріст ентропії холодного?

Прогнози для зважування

• Зміни ентропії резервуарів не компенсуються; є ненульова чиста зміна ентропії.
• Так — для зворотного (карнівського) циклу зміни ентропії двох резервуарів точно компенсуються, даючи нульову чисту генерацію ентропії.
• Зміни ентропії резервуарів не пов'язані з теплотою, обміняною з газом.

Ролі змінних

Що ви задаєте:

• Номер такту

Що ви вимірюєте:

• Обмін теплотою за такт Q (J)
• Внесок ентропії ΔS = Q/T (J/K)

Як проходить дослідження

1. Відкрийте пресет ентропії Карно та натисніть «Скинути». Той самий 4-тактний цикл Карно, що й у carnot-cycle, працює між резервуарами 600 K і 300 K.
2. Увімкніть показ теплоти за такт.
3. Для кожного такту циклу (1–4) зчитайте обмін теплотою та обчисліть внесок ентропії такту Q_leg/T_leg.

Керівне рівняння

Ентропійний баланс резервуарів — ΔS = Qout/Tc − Qin/Th

Ентропія кожного резервуара змінюється на −Q/T за теплоти, яку він віддає (або +Q/T за теплоти, яку поглинає), при власній фіксованій температурі. Для зворотного циклу, як у Карно, зміни ентропії гарячого й холодного резервуарів точно компенсуються: ΔS_net = Qout/Tc − Qin/Th = 0.

Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити

• Підтвердьте, що такти 2 і 4 (адіабатичні) дають нуль ентропії, бо Q = 0 для них за означенням. Підсумуйте ненульові внески тактів 1 (при Th = 600 K) та 3 (при Tc = 300 K).
• Теплота, поглинута газом у такті 1, стає теплотою, відданою гарячим резервуаром; теплота, віддана газом у такті 3, стає теплотою, поглинутою холодним резервуаром. Поясніть, чому сумарна зміна ентропії резервуарів за повний цикл виходить нульовою.

Де це трапляється за межами лабораторії

• Справжня машина має тертя та теплопередачу скінченної швидкості — обидва незворотні. Поясніть, чому зміни ентропії резервуарів справжнього циклу НЕ компенсувалися б точно, даючи додатну чисту генерацію ентропії — і чому другий закон вимагає, щоб чиста генерація була ≥ 0.
• Нульова чиста генерація ентропії циклу Карно — це те, чому його називають «зворотним»: можна було б пройти кожен такт назад і відмінити все, включно зі станами резервуарів. Поясніть, чому процес із додатною чистою генерацією ентропії (як тертя) не можна відмінити так.

• 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

1. Вітаємо в ентропії Карно
2. Виберіть камеру
3. Натисніть «Запустити»
4. Ентропія у зворотному циклі
5. Відкрийте панель властивостей
6. У вас вийшло!

Відкрийте інтерактивне моделювання, щоб зібрати сцену, натиснути «Запустити» та дослідити з живими вимірюваннями й керованим заняттям.

Відкрити інтерактивну лабораторію →

Завантажити лабораторний аркуш →

Ентропія та другий закон