Цикъл на Карно: максимален възможен КПД на машина

1 · Предскажи

Карно машина прекарва газа през 4 стъпки (изотермично разширение, адиабатно разширение, изотермична компресия, адиабатна компресия) обратно в началното състояние. Променя ли се вътрешната енергия на газа за една пълна обиколка?

2 · Постановка

  1. Отвори настройката цикъл на Карно и натисни Нулирай. 1 mol аргон (f = 3) циклира между горещ резервоар 600 K и студен резервоар 300 K.
  2. Включи показанието за работа по стъпки.
  3. За всяка стъпка от цикъла (1 до 4) прочети целевия обем на стъпката и работата, извършена от газа по време на тази стъпка.

3 · Събери данни

Номер на стъпкаЦелеви обем на стъпката V (L)Работа, извършена от газа в тази стъпка (J)
1
2
3
4

Скицирай P-V диаграмата за всичките 4 стъпки, отбелязвайки дали всяка стъпка е изотермична или адиабатна и дали газът извършва положителна или отрицателна работа.

4 · Анализирай

  1. Сбери стойностите на работа от 4-те си стъпки. Сравни сбора с nR(Th − Tc)·ln(2) (приближено, за обемните отношения на този цикъл) и сравни КПД на цикъла η = W_net/Qin с Карно стойността η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. Две стъпки имат положителна работа (разширение) и две отрицателна (компресия). Обясни защо *нетната* работа за пълния цикъл пак е положителна, правейки това топлинна машина, а не цикъл без действие.

5 · Надгради

  1. Никаква реална машина, работеща между същите две температури на резервоари, не може да победи Карно КПД. Обясни, с η_c = 1 − Tc/Th, защо машина би могла да достигне 100% КПД само ако Tc = 0 K — физически недостижимо.
  2. Цикълът на Карно е изграден изцяло от обратими стъпки (изотермични и адиабатни, и двете идеализирани като безкрайно бавни). Обясни защо реална машина, която неизбежно има триене и топлопредаване с крайна скорост, никога не може съвсем да достигне този идеален КПД.

Физиката зад този експеримент

КПД на Карно

Максималният възможен КПД на всяка топлинна машина, работеща между горещ резервоар Th и студен Tc, зависи само от тяхното температурно отношение: η_c = 1 − Tc/Th.

← Назад към експеримента

Термодинамика

138 безплатни работни листа по физика за печат