El cicle de Stirling: trams isoterms amb regeneració
1 · Prediu
El cicle de Stirling fa servir 2 trams isoterms i 2 isocors, cap adiabàtic. El seu rendiment pot en principi igualar el valor de Carnot si un «regenerador» perfecte recicla calor entre els trams isocors. Sense regenerador ideal, el rendiment simple del cicle que mesures queda curt del límit de Carnot?
- Sí: sense regenerador, el rendiment brut d'aquest cicle queda per sota del límit de Carnot per a les mateixes temperatures de dipòsit.
- El rendiment iguala exactament el límit de Carnot independentment de la regeneració.
- El rendiment supera el límit de Carnot.
2 · Configura
- Obre el predefinit «El cicle de Stirling» i prem Restableix. 1 mol d'argó cicle entre 600 K i 300 K fent servir només trams isoterms i isocors.
- Activa la lectura de treball per tram i la de rendiment del cicle.
- 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 (m³) | Treball fet pel gas en aquest tram (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Esbossa el diagrama P-V dels 4 trams, marcant els 2 segments isoterms (corbats) i els 2 isocors (verticals).
4 · Analitza
- Confirma que els trams 2 i 4 (isocors) mostren W = 0. Suma el treball dels 4 trams per al treball net del cicle, i compara la lectura de rendiment del cicle amb el límit de Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- El rendiment brut d'aquest cicle (sense un regenerador ideal que recuperi la calor dels trams isocors) queda per sota de 0.5. Explica, amb la primera llei, per què la calor abocada durant el tram de refredament isocor representa energia que el motor simple no recupera.
5 · Amplia
- Un motor Stirling real fa servir un regenerador: una malla que emmagatzema la calor alliberada durant el refredament isocor i la retorna durant l'escalfament isocor. Explica per què un regenerador perfecte deixaria aquest cicle acostar-se al rendiment de Carnot fins i tot sense trams adiabàtics.
- Els motors Stirling s'aprecien per funcionar amb qualsevol font de calor externa (solar, calor residual, fins i tot diferències de temperatura a l'espai) en lloc de requerir combustió interna. Per què un motor de cicle tancat amb escalfament extern pot ser atractiu per a aquestes aplicacions?
La física al darrere d'aquest experiment
Límit de Carnot al rendiment del cicle
Cap cicle que operi entre les temperatures Tc i Th — Stirling inclòs — no pot superar el rendiment de Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Un cicle Stirling real (sense regenerar) queda curt d'aquest límit perquè aboca calor no recuperada durant el seu tram de refredament isocor.
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 Carnot invertit: una nevera
- Canvi d'entropia en una expansió isoterm reversible
138 fulls de treball de laboratori de física gratuïts i imprimibles