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؟

• تزداد الطاقة الداخلية عبر الدورة، إذ يبذل الغاز صافي شغل موجب.
• تعود الطاقة الداخلية إلى قيمتها الابتدائية — صافي تغير صفري عبر دورة مغلقة.
• تنقص الطاقة الداخلية عبر الدورة.

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

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، كلتاهما متخيَّلان بطيئين إلى ما لا نهاية). اشرح لماذا لا يستطيع محرك حقيقي، لا مفر له من احتكاك وانتقال حرارة بسرعة محدودة، بلوغ هذه الكفاءة المثالية.

الفيزياء خلف هذه التجربة

← عودة إلى التجربة

138 ورقة عمل فيزياء مجانية قابلة للطباعة