El ciclo de Stirling: tramos isotérmicos con regeneración
1 · Predecir
El ciclo Stirling utiliza tramos isotérmicos 2 y tramos isocóricos 2 , sin ningún tramo adiabático. En principio, su eficiencia puede igualar el valor de Carnot si un "regenerador" perfecto recicla el calor entre las patas isocóricas. Sin un regenerador ideal, ¿la eficiencia del ciclo simple que usted mide no alcanza el límite de Carnot?
- Sí, sin un regenerador, la eficiencia bruta de este ciclo está por debajo del límite de Carnot para las mismas dos temperaturas del yacimiento.
- La eficiencia es exactamente igual al límite de Carnot independientemente de la regeneración.
- La eficiencia excede el límite de Carnot.
2 · Configurar
- Abra el preajuste del ciclo Stirling y presione Restablecer. 1 mol de ciclos de argón entre 600 K y 300 K utilizando únicamente tramos isotérmicos e isocóricos.
- Habilite la lectura de trabajo por pierna y la lectura de eficiencia del ciclo.
- Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo de la pierna y el trabajo realizado por el gas durante esa pierna.
3 · Recopilar Datos
| número de pierna | Volumen objetivo de la pierna V (m³) | Trabajo realizado por gas en esta pierna. (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Dibuje el diagrama P-V para todas las patas 4 , marcando los segmentos isotérmicos (curvos) 2 y 2 isocóricos (verticales).
4 · Analizar
- Confirme que las patas 2 y 4 (isocóricas) muestran W = 0. Sume todo el trabajo de 4 legs para el trabajo neto del ciclo y compare la lectura de eficiencia del ciclo con el límite de Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- La eficiencia bruta de este ciclo (sin un regenerador ideal que recupere el calor de las piernas isocóricas) se mantiene por debajo de 0.5. Explique, utilizando la primera ley, por qué el calor vertido durante el tramo de enfriamiento isocórico representa energía que el motor simple no recupera.
5 · Ampliar
- Un motor Stirling real utiliza un regenerador, una malla que almacena el calor liberado durante el enfriamiento isocórico y lo devuelve durante el calentamiento isocórico. Explique por qué un regenerador perfecto permitiría que este ciclo se acercara a la eficiencia de Carnot incluso sin tramos adiabáticos.
- Los motores Stirling son apreciados por funcionar con cualquier fuente de calor externa (solar, calor residual, incluso diferencias de temperatura en el espacio) en lugar de requerir combustión interna. ¿Por qué podría resultar atractivo para esas aplicaciones un motor de ciclo cerrado con calefacción externa?
La física detrás de este experimento
Carnot comprometido con la eficiencia del ciclo
Ningún ciclo que funcione entre las temperaturas Tc y Th (incluido Stirling) puede exceder la eficiencia de Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Un ciclo Stirling real (no regenerado) no alcanza este límite porque vierte calor no recuperado durante su tramo de enfriamiento isocórico.