Stirling-processen: Isoterme trin med regenerering

1 · Forudsig

Stirling-processen bruger 2 isoterme trin og 2 isokore trin, slet ingen adiabatiske. Dens virkningsgrad kan principielt matche Carnot-værdien, hvis en perfekt "regenerator" genbruger varme mellem de isokore trin. Uden en ideel regenerator — kommer den simple kredsproces-virkningsgrad, du måler, så under Carnot-grænsen?

2 · Opsætning

  1. Åbn forudstillingen stirling-cycle, og tryk på Nulstil. 1 mol argon kører i kredsproces mellem 600 K og 300 K med udelukkende isoterme og isokore trin.
  2. Slå aflæsningen af arbejde pr. trin og aflæsningen af kredsproces-virkningsgraden til.
  3. Aflæs for hvert trin i kredsprocessen (1 til 4) trinnets målvolumen og det arbejde, gassen udfører under trinnet.

3 · Saml data

TrinnummerTrinnets målvolumen V (m³)Arbejde udført af gassen i dette trin (J)
1
2
3
4

Skitsér P-V-diagrammet for alle 4 trin, og markér de 2 isoterme (kurvede) og 2 isokore (lodrette) segmenter.

4 · Analysér

  1. Bekræft, at trin 2 og 4 (isokore) viser W = 0. Læg alle 4 trins arbejde sammen til kredsprocessens nettoarbejde, og sammenlign aflæsningen af kredsproces-virkningsgraden med Carnot-grænsen η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. Denne kredsprocesses rå virkningsgrad (uden en ideel regenerator, der genvinder de isokore trins varme) forbliver under 0.5. Forklar ud fra første hovedsætning, hvorfor varmen, der afgives under det isokore køletrin, repræsenterer energi, som den simple motor ikke genvinder.

5 · Udvid

  1. En rigtig Stirling-motor bruger en regenerator — et metalnet, der lagrer varme afgivet under isokor køling og returnerer den under isokor opvarmning. Forklar, hvorfor en perfekt regenerator ville lade denne kredsproces nå Carnot-virkningsgraden, selv uden adiabatiske trin.
  2. Stirling-motorer er eftertragtede, fordi de kan køre på enhver ekstern varmekilde (sol, spildvarme, endda temperaturforskelle i rummet) i stedet for at kræve intern forbrænding. Hvorfor kan en lukket kredsprocesmotor med ekstern opvarmning være attraktiv til netop de anvendelser?

Fysikken bag dette eksperiment

Carnot-grænsen for kredsproces-virkningsgrad

Ingen kredsproces mellem temperaturene Tc og Th — Stirling inkluderet — kan overstige Carnot-virkningsgraden η_c = 1 − Tc/Th. En virkelig (ikke-regenereret) Stirling-proces når ikke grænsen, fordi den afgiver ugenvundet varme under sit isokore køletrin.

← Tilbage til eksperimentet

Termodynamik

138 gratis printbare fysik-labark