El cicle de Carnot: rendiment màxim possible d'un motor
1 · Prediu
Un motor de Carnot porta el gas per 4 trams (expansió isoterm, expansió adiabàtica, compressió isoterm, compressió adiabàtica) de tornada al seu estat inicial. Canvia l'energia interna del gas al llarg d'un cicle complet?
- L'energia interna augmenta al llarg del cicle, ja que el gas fa treball net positiu.
- L'energia interna torna al seu valor inicial: canvi net zero en un cicle tancat.
- L'energia interna disminueix al llarg del cicle.
2 · Configura
- Obre el predefinit «El cicle de Carnot» i prem Restableix. 1 mol d'argó (f = 3) cicle entre un dipòsit calent de 600 K i un de fred de 300 K.
- Activa la lectura de treball per tram.
- Per a cada tram del cicle (1 a 4), llegeix el volum objectiu del tram i el treball fet pel gas durant aquell tram.
3 · Recull dades
| Número de tram | Volum objectiu del tram V (L) | Treball fet pel gas en aquest tram (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Esbossa el diagrama P-V dels 4 trams, marcant si cada tram és isoterm o adiabàtic i si el gas hi fa treball positiu o negatiu.
4 · Analitza
- Suma els teus valors de treball dels 4 trams. Compara el total amb nR(Th − Tc)·ln(2) (aproximadament, per a les relacions de volum d'aquest cicle) i compara el rendiment del cicle η = W_net/Qin amb el valor de Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
- Dos trams tenen treball positiu (expansió) i dos negatiu (compressió). Explica per què el treball *net* del cicle complet encara és positiu, cosa que en fa un motor tèrmic i no un bucle que no res.
5 · Amplia
- Cap motor real operant entre les mateixes temperatures de dipòsit no pot superar el rendiment de Carnot. Explica, amb η_c = 1 − Tc/Th, per què un motor podria arribar a un rendiment del 100% només si Tc = 0 K: físicament inassolible.
- El cicle de Carnot és construït enterament amb passos reversibles (isoterms i adiabàtics, tots dos idealitzats com infinitament lents). Explica per què un motor real, que inevitablement té fricció i transferència de calor a velocitat finita, mai no arriba del tot a aquest rendiment ideal.
La física al darrere d'aquest experiment
Rendiment de Carnot
El rendiment màxim possible de qualsevol motor tèrmic que operi entre un dipòsit calent Th i un de fred Tc depèn només de la seva relació de temperatures: η_c = 1 − Tc/Th.
Termodinàmica
- La llei del gas ideal: pressió, volum i temperatura
- Teoria cinètica: temperatura i velocitat molecular
- Compressió isoterm: treball fet en temperatura constant
- Escalfament isobar: expansió a pressió constant
- Escalfament isocor: pujada de pressió en volum constant
- Expansió adiabàtica: refredar-se sense perdre calor
- Calorimetria: barrejar calent i fred
- Conducció tèrmica: flux de calor per una barra
- El cicle d'Otto: model idealitzat d'un motor de gasolina
- El cicle de Carnot invertit: una nevera
- El cicle de Stirling: trams isoterms amb regeneració
- Canvi d'entropia en una expansió isoterm reversible
138 fulls de treball de laboratori de física gratuïts i imprimibles