دورة كارنو المعكوسة: مثلاج
1 · توقّع
تشغيل دورة كارنو بالعكس يحول المحرك إلى مثلاج — صافي الشغل يدخل بدل أن يخرج. هل لا يزال الغاز يمتص الحرارة من المستودع البارد، كمثلاج حقيقي يسحب الحرارة من داخله؟
- لا — عكس الدورة يعكس أيضًا أيَّ المستودعين يمتص الحرارة.
- الدورة المعكوسة لا تبادل الحرارة مع أي من المستودعين.
- نعم — تمتص الدورة المعكوسة الحرارة من الجانب البارد وتطرح حرارة أكثر في الساخن، مستخدمةً شغل المدخل لذلك.
2 · التجهيز
- افتح تجربة مثلاج كارنو واضغط إعادة. المراحل الأربع نفسها لدورة كارنو تعمل بترتيب معكوس.
- فعّل قراءة شغل كل مرحلة وقراءتي معاملي أداء التبريد والتدفئة.
- لكل مرحلة (1 إلى 4) اقرأ الحجم المستهدف للمرحلة وشغل الغاز خلالها.
3 · اجمع البيانات
| رقم المرحلة | الحجم المستهدف للمرحلة V (L) | شغل الغاز في هذه المرحلة (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
ارسم مخطط P-V متتبعًا المراحل بالترتيب. قارن اتجاه السير (مع عقارب الساعة أم عكسها) بمخطط تجربة دورة كارنو.
4 · حلّل
- اجمع قيم شغل أطرافك الأربعة — يجب أن يخرج المجموع (صافي الشغل الذي يبذله الغاز) سالبًا، أي أن صافي الشغل يجب أن يُزود إلى الغاز. احسب COP التبريد = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 و COP التسخين = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- قارن ترتيب المراحل هنا بترتيب دورة كارنو. اشرح كيف يقلب مجردُ عكس تسلسل المراحل الأربع نفسها الدورةَ من محرك (صافي شغل خارج) إلى مثلاج (صافي شغل داخل).
5 · وسّع
- معامل تبريد 1.0 يعني أن المثلاج ينقل 1 J من الحرارة خارج الفراغ البارد لكل 1 J شغل مزود. ومعامل تدفئة 2.0 (وضع مضخة حرارة) يعني تسليم 2 J حرارة للفراغ الدافئ لكل 1 J شغل. اشرح لماذا COP_heat يزيد دائمًا COP_cool بالضبط بواحد للمستودعين نفسهما.
- بخلاف كفاءة المحرك (≤ 1 دائمًا)، يمكن لـCOP أن يتجاوز 1 — وليس ذلك خرقًا لانحفاظ الطاقة. اشرح لماذا COP > 1 ممكن: الطاقة الإضافية المسلَّمة تأتي من المستودع المُبرَّد لا من عدم.
الفيزياء خلف هذه التجربة
معامل أداء المثلاج
يُقاس أداء التبريد لدورة كارنو المعكوسة بـ COP_cool = Tc/(Th − Tc): مقدار الحرارة المزالة من الفضاء البارد لكل وحدة شغل مزود. فجوات درجات الحرارة الأصغر تعطي COP أفضل (أعلى).