Carnotův cyklus: maximální možná účinnost stroje

1 · Predikuj

Carnotův stroj provádí plyn 4 větami (izotermická expanze, adiabatická expanze, izotermická komprese, adiabatická komprese) zpět do výchozího stavu. Změní se vnitřní energie plynu za jeden celý cyklus?

• Vnitřní energie přes cyklus roste, protože plyn koná čistou kladnou práci.
• Vnitřní energie se vrátí na výchozí hodnotu — nulová čistá změna přes uzavřený cyklus.
• Vnitřní energie přes cyklus klesá.

2 · Sestavení

1. Otevři předvolbu carnot-cycle a stiskni Resetovat. 1 mol argonu (f = 3) cyklí mezi teplým zásobníkem 600 K a studeným 300 K.
2. Zapni odečet práce po větách.
3. Pro každou větu cyklu (1 až 4) odečti cílový objem věty a práci vykonanou plynem během té věty.

3 · Sbírej data

Načrtni diagram P-V pro všech 4 věty a označ, která věta je izotermická a která adiabatická a zda plyn koná kladnou, nebo zápornou práci.

4 · Analyzuj

1. Sečti hodnoty práce svých 4 vět. Porovnej celkem s nR(Th − Tc)·ln(2) (přibližně, pro objemové poměry tohoto cyklu) a porovnej účinnost cyklu η = W_net/Qin s Carnotovou hodnotou η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Dvě věty mají kladnou práci (expanze) a dvě zápornou (komprese). Vysvětli, proč *čistá* práce přes celý cyklus je pořád kladná, takže to je tepelný stroj, ne smyčka, která nic nedělá.

5 · Rozšiř

1. Žádný skutečný stroj pracující mezi stejnými teplotami dvou zásobníků nepřekoná Carnotovu účinnost. Vysvětli pomocí η_c = 1 − Tc/Th, proč by stroj dosáhl 100% účinnosti jen když Tc = 0 K — fyzikálně nedosažitelné.
2. Carnotův cyklus je postaven celý z vratných kroků (izotermické a adiabatické, obojí idealizované jako nekonečně pomalé). Vysvětli, proč skutečný stroj, který nevyhnutelně má tření a přenos tepla konečnou rychlostí, nikdy docela nedosáhne této ideální účinnosti.

Fyzika za tímto experimentem

← Zpět na experiment

138 bezplatných tisknutelných pracovních listů z fyziky