Stirlingův cyklus: izotermické věty s regenerací
1 · Predikuj
Stirlingův cyklus používá 2 izotermické věty a 2 izochorické věty, žádné adiabatické. Jeho účinnost může v zásadě odpovídat Carnotově hodnotě, pokud dokonalý „regenerátor“ recykluje teplo mezi izochorickými větami. Bez ideálního regenerátoru zůstává měřená účinnost jednoduchého cyklu pod Carnotovou mezí?
- Ano — bez regenerátoru je surová účinnost tohoto cyklu pod Carnotovým limitem pro stejné dvě teploty zásobníků.
- Účinnost se přesně rovná Carnotovu limitu bez ohledu na regeneraci.
- Účinnost překračuje Carnotův limit.
2 · Sestavení
- Otevři předvolbu stirling-cycle a stiskni Resetovat. 1 mol argonu cyklí mezi 600 K a 300 K jen izotermickými a izochorickými větami.
- Zapni odečet práce po větách a odečet účinnosti cyklu.
- Pro každou větu cyklu (1 až 4) odečti cílový objem věty a práci vykonanou plynem během té věty.
3 · Sbírej data
| Číslo věty | Cílový objem věty V (L) | Práce vykonaná plynem v této větě (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Načrtni diagram P-V pro všech 4 věty a označ 2 izotermické (zakřivené) a 2 izochorické (svislé) segmenty.
4 · Analyzuj
- Potvrď, že věty 2 a 4 (izochorické) ukazují W = 0. Sečti práci všech 4vět pro čistou práci cyklu a porovnej odečet účinnosti cyklu s Carnotovou mezí η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- Surová účinnost tohoto cyklu (bez ideálního regenerátoru vracíjícího teplo izochorických vět) zůstává pod 0.5. Vysvětli pomocí prvního zákona, proč teplo vyhozené během izochorické chladicí věty představuje energii, kterou jednoduchý stroj nevrací.
5 · Rozšiř
- Skutečný Stirlingův motor používá regenerátor — síťku, která ukládá teplo uvolněné během izochorického chlazení a vrací ho během izochorického ohřevu. Vysvětli, proč dokonalý regenerátor by dovolil tomuto cyklu přiblížit se Carnotově účinnosti i bez adiabatickýchvět.
- Stirlingovy motory jsou ceněny, že běží na libovolný externí zdroj tepla (sluneční, odpadní teplo, i teplotní rozdíly ve vesmíru), místo aby vyžadovaly vnitřní spalování. Proč by mohl být uzavřený cyklus s externím ohřevem přitažlivý pro tyto aplikace?
Fyzika za tímto experimentem
Carnotova mez účinnosti cyklu
Žádný cyklus pracující mezi teplotami Tc a Th — včetně Stirlingova — nemůže překročit Carnotovu účinnost η_c = 1 − Tc/Th. Skutečný (neregenerovaný) Stirlingův cyklus této meze nedosahuje, protože vyhazuje nevrácené teplo během izochorické chladicí věty.
Termodynamika
- Zákon ideálního plynu: tlak, objem a teplota
- Kinetická teorie: teplota a rychlost molekul
- Izotermické stlačování: práce při konstantní teplotě
- Izobarický ohřev: expanze při konstantním tlaku
- Izochorický ohřev: růst tlaku při konstantním objemu
- Adiabatická expanze: ochlazení bez ztráty tepla
- Kalorimetrie: míchání teplého a studeného
- Vedení tepla: tok tepla tyčí
- Carnotův cyklus: maximální možná účinnost stroje
- Ottův cyklus: idealizovaný model benzinového motoru
- Reverzní Carnotův cyklus: lednička
- Změna entropie ve vratné izotermické expanzi