Ο κύκλος Stirling: Ισόθερμα σκέλη με αναγέννηση

1 · Πρόβλεψε

Ο κύκλος Stirling χρησιμοποιεί 2 ισόθερμα σκέλη και 2 ισόχωρα σκέλη, καθόλου αδιαβατικά σκέλη. Η απόδοσή του μπορεί σε αρχή να ταιριάξει την τιμή Carnot αν ένα τέλειο «αναγεννητικό» ανακυκλώνει θερμότητα μεταξύ των ισόχωρων σκελών. Χωρίς ιδανικό αναγεννητή, υστερεί η απλή απόδοση κύκλου που μετράς του ορίου Carnot;

• Ναι — χωρίς αναγεννητή, η ακατέργαστη απόδοση αυτού του κύκλου είναι κάτω από το όριο Carnot για τις ίδιες δύο θερμοκρασίες δεξαμενών.
• Η απόδοση ισούται ακριβώς με το όριο Carnot ανεξαρτήτως αναγέννησης.
• Η απόδοση υπερβαίνει το όριο Carnot.

2 · Διάταξη

1. Άνοιξε την προεπιλογή stirling-cycle και πάτησε Επαναφορά. 1 mol αργού κυκλοφορεί μεταξύ 600 K και 300 K χρησιμοποιώντας μόνο ισόθερμα και ισόχωρα σκέλη.
2. Ενεργοποίησε την ένδειξη έργου ανά σκέλος και την ένδειξη απόδοσης κύκλου.
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 τα 2 ισόθερμα (καμπυλωτά) και τα 2 ισόχωρα (κατακόρυφα) τμήματα.

4 · Ανάλυση

1. Επιβεβαίωσε ότι τα σκέλη 2 και 4 (ισόχωρα) δείχνουν W = 0. Άθροισε το έργο και των 4 σκελών για το καθαρό έργο κύκλου, και σύγκρινε την ένδειξη απόδοσης κύκλου με το όριο Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Η ακατέργαστη απόδοση αυτού του κύκλου (χωρίς ιδανικό αναγεννητή που ανακτά τη θερμότητα των ισόχωρων σκελών) μένει κάτω από 0.5. Εξήγησε, χρησιμοποιώντας τον πρώτο νόμο, γιατί η θερμότητα που αποτίθεται κατά το ισόχωρο-ψύξης σκέλος αναπαριστά ενέργεια που η απλή μηχανή δεν ανακτά.

5 · Επέκταση

1. Μια πραγματική μηχανή Stirling χρησιμοποιεί αναγεννητή — πλέγμα που αποθηκεύει τη θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την ισόχωρη ψύξη και την επιστρέφει κατά την ισόχωρη θέρμανση. Εξήγησε γιατί ένας τέλειος αναγεννητής θα άφηνε αυτόν τον κύκλο να πλησιάσει την απόδοση Carnot χωρίς καν αδιαβατικά σκέλη.
2. Οι μηχανές Stirling εκτιμώνται για τη λειτουργία τους με οποιαδήποτε εξωτερική πηγή θερμότητας (ηλιακή, απορριπτόμενη θερμότητα, ακόμη θερμοκρασιακές διαφορές στο διάστημα) αντί να απαιτούν εσωτερική καύση. Γιατί ένας κλειστού-κύκλου μηχανή με εξωτερική θέρμανση μπορεί να είναι ελκυστική για εκείνες τις εφαρμογές;

Η Φυσική Πίσω από Αυτό το Πείραμα

← Πίσω στο πείραμα

138 δωρεάν εκτυπώσιμα φύλλα εργασίας φυσικής