El ciclo de Stirling: tramos isotérmicos con regeneración

1 · Predecir

El ciclo Stirling utiliza 2 tramos isotérmicos y 2 tramos isocóricos, sin ningún tramo adiabático. En principio, su eficiencia puede igualar el valor de Carnot si un «regenerador» perfecto recicla el calor entre los tramos isocóricos. Sin un regenerador ideal, ¿la eficiencia del ciclo simple que usted mide se queda corta respecto al 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 de depósito.
• La eficiencia es exactamente igual al límite de Carnot independientemente de la regeneración.
• La eficiencia excede el límite de Carnot.

2 · Configurar

1. 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.
2. Habilite la lectura de trabajo por tramo y la lectura de eficiencia del ciclo.
3. Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo del tramo y el trabajo realizado por el gas durante ese tramo.

3 · Recopilar datos

Dibuje el diagrama P-V para los 4 tramos, marcando los 2 segmentos isotérmicos (curvos) y los 2 isocóricos (verticales).

4 · Analizar

1. Confirme que los tramos 2 y 4 (isocóricos) muestran W = 0. Sume el trabajo de los 4 tramos para obtener 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.
2. La eficiencia bruta de este ciclo (sin un regenerador ideal que recupere el calor de los tramos isocóricos) se mantiene por debajo de 0.5. Explique, utilizando la contabilidad de entalpía de los tramos, a dónde va la eficiencia que falta.

5 · Ampliar

1. 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.
2. 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

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