دورة كارنو: أقصى كفاءة ممكنة لمحرك

1 · توقّع

يحمل محرك كارنو الغاز عبر 4 مراحل (تمدد متساوي الحرارة، تمدد كظومي، انضغاط متساوي الحرارة، انضغاط كظومي) عائدًا إلى حالته الابتدائية. هل تتغير الطاقة الداخلية للغاز عبر دورة كاملة؟

2 · التجهيز

  1. افتح مسبق دورة كارنو واضغط إعادة الضبط. يدور 1 مول من الأرجون (f = 3) بين خزان حار بدرجة 600 K وخزان بارد بدرجة 300 K.
  2. فعّل قراءة شغل كل مرحلة.
  3. لكل مرحلة (1 إلى 4) اقرأ الحجم المستهدف للمرحلة وشغل الغاز خلالها.

3 · اجمع البيانات

رقم المرحلةالحجم المستهدف للمرحلة V (L)شغل الغاز في هذه المرحلة (J)
1
2
3
4

ارسم مخطط P-V للمراحل الأربع، مع بيان أي المراحل متساوية الحرارة وأيها كظومية، وهل يبذل الغاز شغلًا موجبًا أم سالبًا.

4 · حلّل

  1. اجمع قيم شغل أطرافك الأربعة. قارن المجموع بـ nR(Th − Tc)·ln(2) (تقريبًا، لنسب الحجم في هذه الدورة)، وقارن كفاءة الدورة η = W_net/Qin بقيمة كارنو η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. مرحلتان شغلهما موجب (تمدد) ومرحلتان سالب (انضغاط). اشرح لماذا يبقى الشغل *الصافي* عبر الدورة موجبًا، فيكون هذا محركًا حراريًا لا حلقة لا تفعل شيئًا.

5 · وسّع

  1. لا يمكن لمحرك حقيقي يعمل بين درجتي حرارة الخزانين نفسيهما أن يتفوق على كفاءة كارنو. اشرح، باستخدام η_c = 1 − Tc/Th، لماذا لن يبلغ محرك كفاءة 100% إلا إذا كانت Tc = 0 K — وهي درجة لا يمكن الوصول إليها فيزيائيًا.
  2. مبنية دورة كارنو كليًا من خطوات عكوسة (متساوية الحرارة وكظومية، كلتاها مثاليتان بلا نهاية البطء). اشرح لماذا لا يستطيع محرك حقيقي، لا مفر له من احتكاك وانتقال حرارة بسرعة محدودة، بلوغ هذه الكفاءة المثالية.

الفيزياء خلف هذه التجربة

كفاءة كارنو

أقصى كفاءة ممكنة لأي محرك حراري يعمل بين خزان حار Th وخزان بارد Tc تعتمد فقط على نسبة درجتي حرارتهما: η_c = 1 − Tc/Th.

← عودة إلى التجربة