TS.1 · Gas processes, entropy and reversible cycles

Kulkas dapat memindahkan lebih banyak panas daripada kerja yang disuplai ke dalamnya. Rasio tersebut adalah koefisien kinerja, bukan efisiensi yang harus di bawah satu.

Prasyarat: 4.

• Terapkan tanda kerja dan panas hukum pertama pada proses gas
• Bandingkan neraca entropi reversibel dan luas siklus P–V
• Bedakan efisiensi mesin dengan koefisien kinerja kulkas

Gunakan ΔU=Q−W, di mana Q adalah panas masuk sistem dan W adalah kerja dilakukan olehnya. Kerja batas kuasistatik adalah ∫P dV, positif selama ekspansi. Untuk jumlah tetap gas ideal, energi dalam hanya bergantung pada suhu. Pada volume tetap W=0, sehingga ΔU=Q; untuk proses gas ideal isotermal ΔU=0, sehingga Q=W. Adiabatis berarti Q=0, bukan suhu konstan. Selama siklus, keadaan kembali dan ΔU=0, sehingga total Q sama dengan total W meskipun perpindahan panas individu pada setiap langkah berbeda.

Untuk ekspansi isotermal reversibel gas ideal, PV adalah konstan. Dengan kapasitas panas konstan, lintasan adiabatis reversibel mematuhi PV^γ=konstanta, dengan γ=Cp/Cv>1; melalui keadaan awal yang sama, tekanannya turun lebih cepat seiring peningkatan volume. Lintisan isobarik horizontal pada grafik P–V. Siklus tertutup searah jarum jam memiliki ∮P dV positif; membalikkan arah mengubah tandanya. Untuk loop persegi panjang, magnitudonya adalah ΔPΔV, dan loop segitiga memiliki setengah luas persegi pembatas yang sesuai. Gunakan Pa dan m³ untuk joules, bukan nilai liter yang belum dikonversi.

Untuk perpindahan panas reversibel, dS=δQ_rev/T; entropi adalah fungsi keadaan sementara panas bergantung pada lintasan. Proses sistem-plus-lingkungan reversibel memiliki perubahan total entropi nol, tetapi entropi sistem saja dapat meningkat atau menurun. Proses spontan ireversibel menghasilkan total entropi nonnegatif. Ekspansi isotermal reversibel meningkatkan entropi gas sebesar nR ln(V2/V1); reservoir kehilangan jumlah yang sama. Reversibilitas tidak memerlukan suhu sistem konstan, nol kerja, atau perubahan energi dalam nol.

Mesin reversibel antara TH dan TC memiliki efisiensi W/QH=1−TC/TH. Kulkas reversibel sebaliknya memiliki COP=QC/W=TC/(TH−TC), dan pompa panas memiliki QH/W=TH/(TH−TC). Gunakan suhu kelvin absolut. Pada diagram T–S reversibel, besaran panas sepanjang isoterma adalah T dikali perubahan entropi; luas persegi Carnot adalah besaran kerja. Pendinginan memindahkan panas dari dingin ke panas dengan mengonsumsi kerja, membalikkan siklus mesin. COP dapat melebihi satu tanpa melanggar konservasi karena panas yang dipindahkan tidak hanya disuplai oleh kerja.

Kulkas reversibel mentransfer entropi Delta S dari Tc ke Th.

COP di atas satu mungkin karena panas dipindahkan, bukan semua dihasilkan dari kerja.

Produksi entropi total nol tidak berarti perubahan entropi sistem nol. Kulkas menggunakan TC/(TH−TC), bukan rumus efisiensi mesin.

produksi entropi: Total entropi yang dihasilkan oleh irreversibilitas, bernilai nol atau positif.

koefisien kinerja: Kalor berguna yang ditransfer dibagi dengan kerja input untuk kulkas atau pompa panas.