دورة ستيرلينغ: مرحلتان متساويتا الحرارة مع تجديد

1 · توقّع

تستخدم دورة ستيرلينغ مرحلتين متساويتي الحرارة ومرحلتين متساويتي الحجم، ولا مراحل كظومة إطلاقًا. يمكن لكفاءتها مبدئيًا مطابقة قيمة كارنو لو أعاد «مُجدِّدٌ» تام تدوير الحرارة بين المرحلتين متساويتي الحجم. دون مجدد مثالي، هل تقصر كفاءة الدورة البسيطة التي تقيسها عن حد كارنو؟

• نعم — دون مجدد، كفاءة هذه الدورة الخام دون حد كارنو لدرجتي حرارة المستودعين نفسهما.
• تساوي الكفاءة حد كارنو بالضبط مهما كان التجديد.
• تفوق الكفاءة حد كارنو.

2 · التجهيز

1. افتح تجربة دورة ستيرلينغ واضغط إعادة. 1 mol أرغون يدور بين 600 K و300 K بمراحل متساوية الحرارة والحجم فقط.
2. فعّل قراءة شغل كل مرحلة وقراءة كفاءة الدورة.
3. لكل مرحلة من مراحل الدورة (1 إلى 4) اقرأ الحجم المستهدف للمرحلة وشغل الغاز خلالها.

3 · اجمع البيانات

ارسم مخطط P-V للمراحل الأربع، مع تعليم المقاطعين متساويي الحرارة (منحنيين) ومتساويي الحجم (رأسيين).

4 · حلّل

1. أكد أن الطرفين 2 و4 (متساويا الحجم) يُظهران W = 0. اجمع شغل الأطراف الأربعة كلها لصافي شغل الدورة، وقارن قراءة كفاءة الدورة بحد كارنو η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
2. تبقى كفاءة هذه الدورة الخام (دون مجدد مثالي يستعيد حرارة المرحلتين متساويتي الحجم) دون 0.5. بالقانون الأول، اشرح لماذا تمثل الحرارة المطروحة أثناء مرحلة التبريد متساوي الحجم طاقةً لا يستعيدها المحرك البسيط.

5 · وسّع

1. محرك ستيرلينغ الحقيقي يستخدم مجددًا — شبكة تخزن الحرارة المتحررة أثناء التبريد متساوي الحجم وتعيدها أثناء التسخين متساوي الحجم. اشرح لماذا يتيح مجدد تام لهذه الدورة الاقتراب من كفاءة كارنو حتى بلا مراحل كظومة.
2. تُقدَّر محركات ستيرلينغ لعملها بأي مصدر حرارة خارجي (شمسي أو حرارة ضائعة أو حتى فروق الحرارة في الفضاء) بدل اشتراط الاحتراق الداخلي. لماذا قد يكون محرك دورة مغلقة بتسخين خارجي جذابًا لتلك التطبيقات؟

الفيزياء خلف هذه التجربة

← عودة إلى التجربة