Ο κύκλος Carnot: Μέγιστη δυνατή απόδοση μηχανής

1 · Πρόβλεψε

Μηχανή Carnot οδηγεί αέριο μέσα από 4 σκέλη (ισόθερμη διαστολή, αδιαβατική διαστολή, ισόθερμη συμπίεση, αδιαβατική συμπίεση) πίσω στην αρχική του κατάσταση. Αλλάζει η εσωτερική ενέργεια του αερίου σε έναν πλήρη κύκλο;

• Η εσωτερική ενέργεια μεγαλώνει στον κύκλο, αφού το αέριο παράγει καθαρό θετικό έργο.
• Η εσωτερική ενέργεια επιστρέφει στην αρχική της τιμή — μηδενική καθαρή μεταβολή σε κλειστό κύκλο.
• Η εσωτερική ενέργεια μειώνεται στον κύκλο.

2 · Διάταξη

1. Άνοιξε την προεπιλογή carnot-cycle και πάτησε Επαναφορά. 1 mol αργού (f = 3) κυκλοφορεί μεταξύ ζεστής δεξαμενής 600 K και κρύας δεξαμενής 300 K.
2. Ενεργοποίησε την ένδειξη έργου ανά σκέλος.
3. Για κάθε σκέλος του κύκλου (1 έως 4), διάβασε τον όγκο-στόχο του σκέλους και το έργο που παρήγαγε το αέριο κατά αυτό το σκέλος.

3 · Συλλογή Δεδομένων

Σκίτσαρε το διάγραμμα P-V για και τα 4 σκέλη, σημειώνοντας αν κάθε σκέλος είναι ισόθερμο ή αδιαβατικό και αν το αέριο παράγει θετικό ή αρνητικό έργο.

4 · Ανάλυση

1. Προσθέσε τις τιμές έργου των 4 σκέλων σου. Σύγκρινε το σύνολο με το nR(Th − Tc)·ln(2) (κατά προσέγγιση, για τους λόγους όγκων αυτού του κύκλου), και σύγκρινε την απόδοση του κύκλου η = W_net/Qin με την τιμή Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Δύο σκέλη έχουν θετικό έργο (διαστολή) και δύο αρνητικό έργο (συμπίεση). Εξήγησε γιατί το *καθαρό* έργο σε όλο τον κύκλο εξακολουθεί να είναι θετικό, καθιστώντας το θερμική μηχανή και όχι βρόχο που δεν κάνει τίποτα.

5 · Επέκταση

1. Καμία πραγματική μηχανή που λειτουργεί μεταξύ των ίδιων δύο θερμοκρασιών δεξαμενών δεν μπορεί να νικήσει την απόδοση Carnot. Εξήγησε, χρησιμοποιώντας η_c = 1 − Tc/Th, γιατί μια μηχανή θα έφτανε 100% απόδοση μόνο αν Tc = 0 K — φυσικά απρόσιτο.
2. Ο κύκλος Carnot χτίζεται εξ ολοκλήρου από αντιστρέψιμα βήματα (ισόθερμα και αδιαβατικά, και τα δύο ιδανικοποιημένα ως απειροστό αργά). Εξήγησε γιατί μια πραγματική μηχανή, που αναπόφευκτα έχει τριβή και μεταφορά θερμότητας πεπερασμένης ταχύτητας, δεν μπορεί ποτέ να φτάσει ακριβώς αυτή την ιδανική απόδοση.

Η Φυσική Πίσω από Αυτό το Πείραμα

← Πίσω στο πείραμα

138 δωρεάν εκτυπώσιμα φύλλα εργασίας φυσικής