7.3 Drill: prosesser, $\Delta U=Q-W$ og entropi (sjanger T4, T7, T8)
Sjangerdrill: kjenn igjen prosesstypen, bruk riktig $(Q,W,\Delta U)$-relasjon, og regn $\Delta S$ som tilstandsfunksjon — raskt og feilfritt.
fjorten oppgaver på eksamensnivå, som roterer de tre sjangrene fra
kap. 7.1 og kap. 7.2:
- Sjanger T8 — hovedsetningene som fortegnsanalyse (finn den tredje av ,
og , med riktig fortegn): praktisk talt alle sett (~100 %).
- Sjanger T4 — adiabatoppgaven (nytt trykk, ny temperatur eller arbeidet i en
prosess uten varmeutveksling): om lag 9 av 10 sett (~90 %).
- Sjanger T7 — entropioppgaven (entropiendring for gass, reservoar eller
univers): praktisk talt alle sett (~100 %).
Alle tre hører i termohalvdelen, spørsmål 21–40, og til sammen dekker de
typisk fem til åtte av de tjue spørsmålene der. Prioritet: høyeste — dette må
sitte.
Fem av de fjorten oppgavene er i eksamensformat med seks alternativer A–F. Det
er med vilje: å eliminere blant seks tette tall er en egen ferdighet, og i Del 7 er
den ekstra verdifull, fordi mange av distraktorene er fysisk umulige og kan
strykes uten regning.
Siste oppgave er en firetrinns sløyfe — en full kretsprosess bygget bare av
verktøy fra Del 7. Den er broen til Del 8, og den viser hvorfor
og er de to kontrollene som
fanger nesten alle regnefeil i en syklus.
Kapitlet er anslått til 80 minutter og er laget for å deles: oppskriften og
det gjennomregnede eksempelet tar om lag 20 minutter, deretter tre oppgavebolker.
Pausepunktene er merket.
Forkunnskaper — sist du var her
Alt du trenger står i kap. 7.1 og
kap. 7.2, med varmekapasitetene fra
kap. 6.2. Her er hele verktøykassa på én skjerm.
Første hovedsetning og arbeidet:
med = varme inn og = arbeid gjort av gassen.
De fire prosessene:
| Prosess | ||||
|---|---|---|---|---|
| isokor | ||||
| isobar | ||||
| isoterm | ||||
| rev. adiabat |
Adiabatrelasjonene:
Entropi:
Tallene: . Enatomig: , ,
, , .
Toatomig: , , ,
, .
Logaritmer: , , .
⚠ Symbolvarsel. er varme i joule (ikke kvalitetsfaktor), er
entropi i J/K (ikke taustrekk), er kelvin (ikke periode), er
trykk (ikke bevegelsesmengde), er gasskonstanten (ikke radius), og
er adiabateksponenten — dimensjonsløs mellom 1 og , ikke
dempingskoeffisienten fra Del 5, som har enheten .
Fem trinn, i denne rekkefølgen. De dekker alle fjorten oppgavene i kapitlet.
Trinn 1 — identifiser prosessen (fem sekunder, avgjør resten). Let etter
signalordet: «stiv beholder» → isokor; «fritt stempel», «konstant trykk» →
isobar; «langsomt», «vannbad», «konstant temperatur» → isoterm; «isolert»,
«raskt», «adiabatisk» → adiabat; «fritt inn i vakuum» → fri ekspansjon
(irreversibel!). Skriv prosesstypen ned som ord.
Trinn 2 — bruk prosessens relasjon. Hver prosess har sin null: isokor
, isoterm , adiabat . Isobaren har ingen null, men det
enkleste arbeidet. Regn den størrelsen relasjonen gir deg direkte.
Trinn 3 — adiabat: velg riktig form. Har du trykk og volum, bruk
. Temperatur og volum: . Temperatur og trykk:
. Regn eksponenten som eget
mellomresultat, med alle sifrene. Kontrollér til slutt det nye trykket med
gassloven — to uavhengige veier.
Trinn 4 — entropi: riktig form, og hvem sin entropi. Gass →
. Reservoar → . Stoff med konstant →
. Irreversibel prosess → konstruér reversibel omvei. Og les
om det spørres om systemets eller universets entropi.
Trinn 5 — andre hovedsetning som test. Skal du avgjøre om noe er mulig, regn
og se på fortegnet: positiv = irreversibel og mulig,
null = reversibel og mulig, negativ = umulig.
Sluttsjekken, seks spørsmål: (i) er alle temperaturer i kelvin? (ii) stemmer
numerisk med mine tre tall? (iii) er hvert fortegn skrevet ut i
klartekst (inn/ut, på/av gassen)? (iv) brukte jeg til og til
volumleddet i entropien? (v) er ? (vi) i en sløyfe:
er og ?
En stiv sylinder med et stempel inneholder nitrogengass
(toatomig) ved og volumet . Stempelet
presses raskt inn til halve volumet.
a) Hva er starttrykket?
b) Hva blir slutt-temperaturen?
c) Hva blir slutt-trykket?
d) Hvor mye arbeid ble gjort, og hva er gassens entropiendring?
ikke å bli noe av, altså adiabatisk, . Toatomig gass gir
.
Margnotat: dette ene ordet er hele oppgaven. Leste du «langsomt» i stedet,
ville prosessen vært isoterm, og alle fire svarene ville blitt andre — i c)
ville du fått i stedet for . Begge tall
står typisk på alternativlista.
a)
b) Temperatur og volum er oppgitt, så formen er :
Margnotat: eksponenten er , ikke . Bruker du
her, får du trykkforholdet i stedet for temperaturforholdet — og svaret
er «bare» litt for høyt, ikke
absurd. Bruker du enatomig , får du . Verdier fra
arket: for toatomig gass. Behold alle sifrene i eksponenten: med
i stedet for flytter svaret seg i tredje siffer.
c) Nå trykk og volum, altså :
Uavhengig kontroll med gassloven:
Margnotat: gjør alltid denne kontrollen. Den koster tjue sekunder og
fanger både feil eksponent, feil og for tidlig avrunding. Stemmer de to
veiene til tre siffer, er svaret riktig.
d) Med er :
Fortegnet i klartekst: er negativ, altså arbeid gjort
på gassen. Det er derfor den ble varmere.
Entropien: prosessen er en reversibel adiabat, altså isentrop:
Margnotat: her ligger den ene entropifella i adiabatoppgaver.
gjelder fordi prosessen er reversibel og adiabatisk. Var den samme
volumendringen skjedd som en fri ekspansjon eller med friksjon, ville
fremdeles vært null, men . Oppgaven må si «reversibelt» eller
beskrive en kvasistatisk prosess for at du kan sette .
Samlet tid: fire spørsmål på under fire minutter, når du skriver prosesstypen
og eksponentene ned først. Det er tempoet et sett med om lag seks minutter per
spørsmål krever — de raske må gå raskt for å gi rom til de tunge.
Bolk 1 — første hovedsetning og de fire prosessene (oppgave 1–4, ~20 min)
De fire første er sjanger T8 i sine fire grunnformer: rent fortegnsregnskap,
isokor, isobar og isoterm.
En gass mottar
varme og gjør arbeid på omgivelsene. Hva er
?
A · B · C · D · E · F
Oppgi bare bokstavsvaret.
til i en stiv beholder.
a) Finn , og .
b) Finn gassens entropiendring.
c) Hvor mye ville vært om samme oppvarming skjedde ved konstant trykk?
konstant trykk fra til .
a) Finn og temperaturendringen.
b) Finn og , og kontroller med .
c) Finn start- og slutt-temperaturen, og gassens entropiendring.
og reversibelt ved til ganger volumet.
a) Finn , og .
b) Finn gassens entropiendring.
c) Finn omgivelsenes og universets entropiendring.
— naturlig pausepunkt —
Bolk 2 — adiabaten (oppgave 5–6, ~15 min)
To oppgaver, begge i eksamensformat, og begge om å velge riktig eksponent. Det
er den ene ferdigheten sjanger T4 tester.
En toatomig ideell gass
komprimeres adiabatisk og reversibelt til en tredjedel av volumet.
Starttemperaturen er . Hva blir slutt-temperaturen?
A · B · C · D · E · F
Oppgi bare bokstavsvaret.
En enatomig ideell gass
komprimeres adiabatisk fra , slik at trykket blir
ganger så stort. Hva blir slutt-temperaturen?
A · B · C · D · E · F
Oppgi bare bokstavsvaret.
— naturlig pausepunkt —
Bolk 3 — entropi og hovedsetningene (oppgave 7–14, ~40 min)
Siste bolk er sjanger T7 i alle sine former, og de tre siste oppgavene kobler
prosesser og entropi slik en full MC-klynge gjør.
ganger volumet.
a) Finn gassens entropiendring.
b) Hvor mye ville svaret endret seg om gassen var enatomig i stedet for
toatomig?
c) Hvor mye ville det endret seg om temperaturen var dobbelt så høy?
varmes fra til ved konstant trykk. Hva
er gassens entropiendring?
A · B · C · D · E · F
Oppgi bare bokstavsvaret.
en isolert beholder til ganger volumet.
a) Finn , og .
b) Finn gassens og universets entropiendring.
c) Beskriv omveien du regnet langs, og hvorfor svaret gjelder.
Varmen lekker fra et rør ved
til et rom ved .
a) Finn entropiendringen for hvert reservoar.
b) Finn universets entropiendring på to måter.
c) Hvor mye arbeid kunne i beste fall vært hentet ut av denne varmen?
(Kvalitativ oppgave — «hvilken prosess er umulig», gjenganger i sjangeren.)
Avgjør for hver av disse om den er mulig, og begrunn med en av hovedsetningene.
a) En gass i en isolert beholder ekspanderer fritt, og temperaturen faller.
b) En gass komprimeres isotermt, og entropien faller.
c) Varme strømmer spontant fra et rom ved til en radiator
ved .
d) En maskin tar varme fra et varmt reservoar, gjør
arbeid, og gir til et kaldt reservoar.
starter ved med volumet . Den føres først
isotermt til dobbelt volum, deretter isokort ned til .
a) Finn , , og for hvert trinn.
b) Finn totalene, og kontroller energiregnskapet.
c) Er nettovarmen inn eller ut av gassen?
fra , til ,
. Hva er gassens entropiendring?
A · B · C · D · E · F
Oppgi bare bokstavsvaret.
- A → B: isokor oppvarming fra til ved
volumet .
- B → C: isoterm ekspansjon ved til .
- C → D: isokor avkjøling tilbake til .
- D → A: isoterm kompresjon ved tilbake til
.
a) Finn trykket i alle fire hjørnene.
b) Finn , , og for hvert trinn.
c) Summér, og kontroller at og
.
d) Finn virkningsgraden , og sammenlign
med Carnot-grensen .
skjer:
1. Feil prosessrelasjon (felle #10 — prosessforveksling). i en
isokor, i en isoterm, i en adiabat, eller
brukt der trykket ikke er konstant. Skriv prosesstypen ned
som ord før du regner.
2. der hører (felle #8). bruker alltid , og
volumleddet i entropien bruker . hører i varme ved fast trykk og i
temperaturleddet når entropien skrives i og .
3. Feil eller feil eksponent (felle #8 i adiabatform). gir
trykkforholdet, gir temperaturforholdet fra volum, og
gir temperaturforholdet fra trykk. Tre eksponenter, tre
ulike spørsmål.
4. Feil fortegn i eller i en entropilogaritme. Skriv og
som egne linjer med retning i ord, og husk at for .
5. Celsius i logaritmen eller i adiabatrelasjonen (felle #11). Begge steder
krever kelvin, og i logaritmen er feilen særlig grov.
6. tolket som (felle #14). Bare den reversible
adiabaten er isentrop. Fri ekspansjon har og .
De to sifferfellene i Del 7, og de er ulike:
(i) Eksponenten i adiabatregningen. En avrunding her forstørres når du
opphøyer. Bruk og med alle
sifrene, ikke og .
(ii) Differanser mellom nesten like store tall. Dette er den lumske. I
oppgave 12 var nettovarmen — en differanse mellom
og . Avrunder du de to til to siffer, blir
sluttsvaret feil med titalls prosent. Samme mekanisme i oppgave 13, der
entropileddene har motsatt fortegn.
Logaritmen er derimot snill mot avrunding: den demper relative feil i
argumentet. Så i entropi er kelvin-disiplinen kritisk og sifferdisiplinen mild,
mens i adiabatregning er det omvendt. Å vite hvilken av de to du står i, sparer
tid: når svaret er en differanse eller en eksponent, hold fire siffer; når det
er en logaritme av et forhold, er tre nok.
Begrepsbank
Begrepsbanken er flashcard- og repetisjonsstoff — den gjentar det du nettopp har
lest. Hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget for kapitlet gjelder
kjernestoffet. Drillkapitler har liten begrepsbank med vilje: de er
treningsbanker, ikke begrepsbanker.
1. Identifiser prosessen fra signalordet, og skriv typen ned som ord.
2. Skriv prosessens null: isokor , isoterm , adiabat
. Isobaren har ingen null.
3. Regn — den gjelder uansett prosess, og er derfor
alltid trygg å starte med.
4. Finn den tredje fra .
5. Les hvert fortegn ut i klartekst: varme inn eller ut, arbeid på eller av
gassen.
6. Sluttsjekk: stemmer numerisk med de tre tallene dine?
Mange varianter i sjangeren er rene konseptspørsmål («hvilken prosess har
», «kan en gass motta varme og bli kaldere») og krever ingen regning — bare
at prosesstabellen sitter.
1. Finn fra gassen: tell frihetsgrader hvis nødvendig. Enatomig
, toatomig .
2. Velg formen som inneholder de to oppgitte størrelsene:
trykk og volum → ; temperatur og volum →
; temperatur og trykk →
.
3. Regn eksponenten som eget mellomresultat, med alle sifrene:
og for en toatomig gass.
4. Arbeidet: , eller hvis du
bare har trykk og volum.
5. Kontrollér det nye trykket med gassloven — to uavhengige veier til samme
tall. Denne kontrollen fanger både feil eksponent og feil .
6. Entropien er null hvis prosessen er reversibel; er den irreversibel, er
den positiv.
1. Hvem sin entropi? Systemets, omgivelsenes eller universets. Les spørsmålet
på nytt.
2. Er prosessen irreversibel? Konstruér en reversibel omvei mellom samme
to tilstander.
3. Velg formen: gass → ; reservoar →
; stoff med konstant → ; faseovergang → .
4. Regn logaritmens argument som eget mellomresultat, med kelvin. Da ser
du fortegnet umiddelbart: forhold under 1 gir negativt bidrag.
5. Spørres det om universet, summer system og omgivelser med fortegn.
6. Sluttsjekk: er ? Er enheten J/K? Er fortegnet
rimelig (ekspansjon og oppvarming positivt, kompresjon og avkjøling negativt)?
| Prosess | ||||
|---|---|---|---|---|
| isokor | ||||
| isobar | ||||
| isoterm | ||||
| rev. adiabat | ||||
| fri ekspansjon |
Den siste raden er den viktigste å legge på minnet, fordi den er den eneste
der alle tre energistørrelsene er null mens entropien ikke er det. Legg også merke
til at -kolonnen er lik i alle rader: det er tilstandsfunksjonens natur.
Og merk kontrasten mellom de to siste radene: samme , helt ulik
— fordi den ene er reversibel og den andre ikke.
Seks kontroller som fanger nesten alle feil, og som til sammen tar under et minutt:
1. stemmer numerisk med mine tre tall.
2. gir samme svar som differansen mellom to
-verdier.
3. Isobar varme stemmer både som og som .
4. Adiabattrykket stemmer både fra og fra gassloven.
5. , og null bare for en reversibel prosess.
6. I en sløyfe: , ,
, og .
Poenget med å ha dem som liste: på en eksamen uten delpoeng er et perfekt
oppsett med feil sluttall verdt null. Da er kontrollene ikke pedanteri — de er
det eneste stedet poengene kan berges.
| Står det i oppgaven | Prosess | Null |
|---|---|---|
| «stiv beholder», «fast volum» | isokor | |
| «fritt stempel», «åpen mot atmosfæren» | isobar | ingen |
| «langsomt», «vannbad», «termisk kontakt» | isoterm | |
| «isolert», «raskt», «adiabatisk» | adiabat | |
| «strømmer fritt inn i vakuum» | fri ekspansjon | |
| «reversibelt», «kvasistatisk» | (tillegg) |
Ordparet som oftest leses feil: «raskt» mot «langsomt». En rask prosess rekker
ikke å utveksle varme (adiabat); en langsom rekker å jevne ut temperaturen
(isoterm). De peker i motsatt retning, og de gir helt ulike svar på samme
volumendring.
Og merk siste rad: «reversibelt» er ikke en prosesstype, men en tilleggsopplysning
som avgjør entropien.
Med seks alternativer er ren gjetting verdt om lag 17 prosent, men Del 7 er
særlig rik på alternativer som kan strykes uten regning:
1. Adiabatisk kompresjon hever temperaturen. Alt under starttemperaturen
strykes.
2. Adiabatisk trykkøkning er større enn den isoterme. Alt under
volumforholdet strykes.
3. Eksponenten er under 1, så temperaturøkningen er mindre enn
volum- eller trykkforholdet.
4. Oppvarming og ekspansjon gir positiv ; avkjøling og kompresjon
negativ. Har begge samme retning, må svaret være større enn hvert ledd; har de
motsatt, må det ligge mellom dem.
5. , så isobar entropiendring er større enn isokor for samme
temperaturendring.
6. kan ikke være negativ, og kan ikke
overstige Carnot-grensen.
7. Enhet og størrelsesorden: entropi i J/K, energi i J, temperatur i K.
Og siden det ikke finnes minuspoeng: lever aldri blankt — men bruk
eliminasjonen først.
Del 7 har to ulike sifferregimer, og de krever motsatt oppmerksomhet:
Eksponenter forstørrer avrunding. I adiabatregning må og
brukes med alle sifrene — og for en
toatomig gass, ikke og . Med et forhold på 20 gir den avrundede
eksponenten mot riktig : forskjell i tredje siffer.
Logaritmer demper avrunding. I entropiregning er tre siffer i
temperaturforholdet stort sett nok, fordi komprimerer relative feil. Men
kelvin er kritisk: et flyttet nullpunkt endrer argumentet dramatisk, og det
demper logaritmen ikke.
Og den tredje fella, som er verst: når svaret er en differanse mellom to
nesten like store tall — nettovarmen i en tostegsprosess, eller en
entropiendring der oppvarming og kompresjon nesten balanserer. Der må
mellomregningene holdes med fire siffer, ellers blir sluttsvaret feil med titalls
prosent. Kjenn igjen situasjonen: står det et minustegn mellom to store tall i
sluttlinja, trenger du sifrene.
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.