چرخهٔ کارنو: بیشینهٔ ممکن بازده موتور

1 · پیش‌بینی

موتور کارنو گاز را از 4 گام (انبساط هم‌دما، انبساط بی‌دررو، تراکم هم‌دما، تراکم بی‌دررو) به حالت آغازین برمی‌گرداند. آیا انرژی درونی گاز روی یک دور کامل تغییر می‌کند؟

• انرژی درونی روی چرخه زیاد می‌شود، چون گاز کار خالص مثبت می‌کند.
• انرژی درونی به مقدار آغازینش برمی‌گردد — تغییر خالص صفر روی چرخهٔ بسته.
• انرژی درونی روی چرخه کم می‌شود.

2 · آماده‌سازی

1. پیش‌تنظیمی carnot-cycle را باز کنید و Reset را بفشارید. 1 mol آرگون (f = 3) میان مخزن گرم 600 K و مخزن سرد 300 K در چرخه است.
2. قرائت کارِ هر گام را فعال کنید.
3. برای هر گام چرخه (1 تا 4)، حجم هدف گام و کارِ گاز در آن گام را بخوانید.

3 · گردآوری داده

نمودار P-V هر 4 گام را ترسیم کنید و مشخص کنید هر گام هم‌دماست یا بی‌دررو و کار گاز مثبت است یا منفی.

4 · تحلیل

1. مقادیر کار 4 گام خود را جمع کنید. مجموع را با nR(Th − Tc)·ln(2) مقایسه کنید (تقریباً، برای نسبت‌های حجم این چرخه)، و بازده چرخه η = W_net/Qin را با مقدار کارنو η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5 مقایسه کنید.
2. دو گام کار مثبت دارند (انبساط) و دو گام کار منفی (تراکم). توضیح دهید چرا کار «خالص» روی کل چرخه همچنان مثبت است و این را به موتور گرمایی بدل می‌کند نه حلقهٔ بی‌فایده.

5 · گسترش

1. هیچ موتور واقعی که بین همان دو دمای مخزن کار می‌کند نمی‌تواند از بازده کارنو فراتر رود. با η_c = 1 − Tc/Th توضیح دهید چرا موتور تنها در صورتی به بازده 100% می‌رسد که Tc = 0 K باشد — که از نظر فیزیکی دست‌یافتنی نیست.
2. چرخهٔ کارنو کامل از گام‌های بازگشت‌پذیر ساخته شده (هم‌دما و بی‌دررو، هر دو تا حد ایده‌آل بی‌نهایت کند). توضیح دهید چرا موتور واقعی، که ناگزیر اصطکاک و انتقال گرمای با تندی متناهی دارد، هرگز به این بازده ایده‌آل نمی‌رسد.

فیزیک پشت این آزمایش

← بازگشت به آزمایش