Цикъл на Стирлинг: изотермични стъпки с регенерация

1 · Предскажи

Цикълът на Стирлинг ползва 2 изотермични и 2 изохорни стъпки, без никакви адиабатни. Неговият КПД може принципно да съответства на Карно стойността, ако перфектен „регенератор“ рециклира топлина между изохорните стъпки. Без идеален регенератор, остава ли простият цикълен КПД, който измерваш, под Карно границата?

2 · Постановка

  1. Отвори настройката цикъл на Стирлинг и натисни Нулирай. 1 mol аргон циклира между 600 K и 300 K, ползвайки само изотермични и изохорни стъпки.
  2. Включи показанието за работа по стъпки и показанието за КПД на цикъла.
  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 (m³)Работа, извършена от газа в тази стъпка (J)
1
2
3
4

Скицирай P-V диаграмата за всичките 4 стъпки, отбелязвайки 2-те изотермични (извити) и 2-те изохорни (вертикални) сегмента.

4 · Анализирай

  1. Потвърди, че стъпки 2 и 4 (изохорните) показват W = 0. Сбери работата на всичките 4 стъпки за нетната циклова работа и сравни показанието за КПД на цикъла с Карно границата η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. Суровият КПД на този цикъл (без идеален регенератор, връщащ топлината на изохорните стъпки) стои под 0.5. Обясни, с първия закон, защо топлината, изхвърлена по изохорно-охлаждащата стъпка, представлява енергия, която простата машина не възстановява.

5 · Надгради

  1. Реалният Стирлинг двигател ползва регенератор — мрежа, която съхранява топлината, отделена при изохорно охлаждане, и я връща при изохорно загряване. Обясни защо перфектен регенератор би позволил на този цикъл да приближи КПД на Карно дори без адиабатни стъпки.
  2. Стирлинг двигателите се ценят, защото работят с всеки външен източник на топлина (слънчева, отпадна топлина, дори температурни разлики в космоса), вместо да изискват вътрешно горене. Защо затвореноциклен двигател с външно загряване може да е привлекателен за тези приложения?

Физиката зад този експеримент

Карно граница за КПД на цикъл

Никакъв цикъл, работещ между температури Tc и Th — включително Стирлинг — не може да надхвърли КПД на Карно η_c = 1 − Tc/Th. Реален (нерегенериран) Стирлинг цикъл изостава от тази граница, защото изхвърля невъзстановена топлина по изохорно-охлаждащата си стъпка.

← Назад към експеримента

Термодинамика

138 безплатни работни листа по физика за печат