El cicle de Carnot invertit: una nevera
1 · Prediu
Fer córrer el cicle de Carnot al revès converteix un motor en una nevera: el treball net ENTRA en lloc de sortir. El gas encara absorbeix calor del dipòsit fred, com una nevera real traient calor del seu interior?
- No: invertir el cicle també inverteix quin dipòsit absorbeix calor.
- Un cicle invertit no intercanvia calor amb cap dipòsit.
- Sí: el cicle invertit absorbeix calor del costat fred i aboca més calor al costat calent, fent servir el treball d'entrada per fer-ho.
2 · Configura
- Obre el predefinit «El cicle de Carnot invertit» i prem Restableix. Els mateixos 4 trams que carnot-cycle s'executen en ordre invers.
- Activa la lectura de treball per tram i les lectures de COP de refredament/escalfament.
- 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, traçant els trams en ordre. Compara el sentit de recorregut (horari o antihorari) amb el diagrama de l'experiment «El cicle de Carnot».
4 · Analitza
- Suma els teus valors de treball dels 4 trams: el total (treball net fet PEL gas) hauria de sortir negatiu, cosa que vol dir que cal subministrar treball net AL gas. Calcula el COP de refredament = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 i el COP d'escalfament = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- Compara l'ordre dels trams aquí amb el de carnot-cycle. Explica com invertir simplement la seqüència dels mateixos 4 trams gira el cicle d'un motor (treball net de sortida) a una nevera (treball net d'entrada).
5 · Amplia
- Un COP de refredament d'1.0 vol dir que la nevera mou 1 J de calor fora de l'espai fred per cada 1 J de treball subministrat. Un COP d'escalfament de 2.0 (mode bomba de calor) vol dir que lliura 2 J de calor a l'espai calent per 1 J de treball. Explica per què COP_heat és sempre exactament 1 més que COP_cool per als mateixos dipòsits.
- A diferència del rendiment del motor (sempre ≤ 1), el COP pot superar 1, i això no viola la conservació de l'energia. Explica per què COP > 1 és possible: l'energia extra lliurada ve del dipòsit que es refreda, no creada del no-res.
La física al darrere d'aquest experiment
Coeficient de funcionament de la nevera
El rendiment de refredament d'un cicle de Carnot invertit es mesura amb COP_cool = Tc/(Th − Tc): quant calor s'extreu de l'espai fred per unitat de treball subministrat. Diferències de temperatura més petites donen COP millors (més alts).
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 de Carnot: rendiment màxim possible d'un motor
- El cicle d'Otto: model idealitzat d'un motor de gasolina
- 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