چرخهٔ معکوس کارنو: یک یخچال

1 · پیش‌بینی

اجرای معکوس چرخهٔ کارنو، موتور را به یخچال بدل می‌کند — کار خالص وارد می‌شود به‌جای بیرون‌آمدن. آیا گاز همچنان از مخزن سرد گرما می‌گیرد، مثل یخچال واقعی که از درونش گرما بیرون می‌کشد؟

• نه — معکوس‌کردن چرخه، مخزنِ گیرندهٔ گرما را هم معکوس می‌کند.
• چرخهٔ معکوس با هیچ‌یک از مخزن‌ها گرما مبادله نمی‌کند.
• بله — چرخهٔ معکوس از سمت سرد گرما می‌گیرد و گرمای بیشتری به سمت گرم می‌ریزد، با کارِ ورودی.

2 · آماده‌سازی

1. پیش‌تنظیم یخچال کارنو را باز کنید و Reset بزنید. همان 4 گامِ چرخهٔ کارنو، به ترتیب معکوس اجرا می‌شوند.
2. قرائت کارِ هر گام و قرائت‌های COP سرمایش/گرمایش 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 را با ترتیب گام‌ها ترسیم کنید. جهت حرکت (ساعتگرد یا پادساعتگرد) را با نمودار آزمایش چرخهٔ کارنو مقایسه کنید.

4 · تحلیل

1. مقادیر کار 4 گام خود را جمع کنید — مجموع (کار خالص انجام‌شده توسط گاز) باید منفی درآید، یعنی باید کار خالصی به گاز داده شود. ضریب عملکرد سرمایش COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 و ضریب عملکرد گرمایش COP = Th/(Th − Tc) = 2.0 را حساب کنید.
2. ترتیب گام‌ها را این‌جا با ترتیب چرخهٔ کارنو مقایسه کنید. توضیح دهید چگونه صرفاً معکوس‌کردن توالی همان 4 گام، چرخه را از موتور (کار خالص بیرونی) به یخچال (کار خالص ورودی) برمی‌گرداند.

5 · گسترش

1. ضریب عملکرد سرمایشی 1.0 یعنی یخچال به ازای هر 1 ژول کار داده‌شده، 1 ژول گرما از فضای سرد بیرون می‌برد. ضریب عملکرد گرمایشی 2.0 (حالت پمپ حرارتی) یعنی 2 ژول گرما به فضای گرم می‌دهد به ازای هر 1 ژول کار. توضیح دهید چرا COP_heat همیشه دقیقاً 1 بیشتر از COP_cool است برای همان مخزن‌ها.
2. برخلاف بازده موتور (همیشه ≤ 1)، COP می‌تواند از 1 بگذرد — این نقض پایستگی انرژی نیست. توضیح دهید چرا COP > 1 ممکن است: انرژی اضافهٔ داده‌شده از مخزنِ در حال سرمایش می‌آید، نه از هیچ.

فیزیک پشت این آزمایش

← بازگشت به آزمایش