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?

2 · Sestavení

  1. Otevři předvolbu stirling-cycle a stiskni Resetovat. 1 mol argonu cyklí mezi 600 K a 300 K jen izotermickými a izochorickými větami.
  2. Zapni odečet práce po větách a odečet účinnosti cyklu.
  3. Pro každou větu cyklu (1 až 4) odečti cílový objem věty a práci vykonanou plynem během té věty.

3 · Sbírej data

Číslo větyCílový objem věty V (m³)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

  1. 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.
  2. Surová účinnost tohoto cyklu (bez ideálního regenerátoru vracíjícího teplo izochorickýchvět) zůstává pod 0.5. Vysvětli pomocí prvního zákona, proč teplo vyhozené během izochorické chladicí věty představuje energii, kterou jednoduchý stroj nevrací.

5 · Rozšiř

  1. 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.
  2. 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.

← Zpět na experiment

Termodynamika

138 bezplatných tisknutelných pracovních listů z fyziky