چرخهٔ استرلینگ: گام‌های هم‌دما با بازیابی

1 · پیش‌بینی

چرخهٔ استرلینگ 2 گام هم‌دما و 2 گام هم‌حجم دارد و اصلاً بی‌دررو ندارد. بازده‌اش به‌طور اصولی می‌تواند به مقدار کارنو برسد اگر «بازیابیِ» کامل گرما را میان گام‌های هم‌حجم بازیافت کند. بدون بازیاب ایده‌آل، آیا بازده خام چرخه‌ای که اندازه می‌گیرید از حد کارنو عقب می‌ماند؟

• بله — بدون بازیاب، بازده خام این چرخه برای همان دو دمای مخزن زیر حد کارنو است.
• بازده دقیقاً برابر حد کارنو است، مستقل از بازیابی.
• بازده از حد کارنو فراتر می‌رود.

2 · آماده‌سازی

1. پیش‌تنظیم چرخهٔ استرلینگ را باز کنید و Reset بزنید. 1 مول آرگون میان 600 K و 300 K فقط با گام‌های هم‌دما و هم‌حجم می‌چرخد.
2. قرائت کارِ هر گام و قرائت بازده چرخه 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 2 پارهٔ هم‌دما (خمیده) و 2 پارهٔ هم‌حجم (عمودی) را مشخص کنید.

4 · تحلیل

1. تأیید کنید گام‌های 2 و 4 (هم‌حجم) W = 0 نشان می‌دهند. کار هر 4 گام را برای کار خالص چرخه جمع کنید و قرائت بازده چرخه را با حد کارنو η_c = 1 − 300/600 = 0.5 مقایسه کنید.
2. بازده خام این چرخه (بدون بازیابِ ایده‌آل که گرمای گام‌های هم‌حجم را بازگرداند) زیر 0.5 می‌ماند. با قانون اول توضیح دهید چرا گرمای ریخته‌شده در گام سرمایش هم‌حجم، انرژی‌ای است که موتور ساده بازیابی نمی‌کند.

5 · گسترش

1. موتور استرلینگ واقعی بازیابی به کار می‌برد — توری‌ای که گرمای آزادشده در سرمایش هم‌حجم را ذخیره و در گرمایش هم‌حجم پس می‌دهد. توضیح دهید چرا بازیاب کامل اجازه می‌دهد این چرخه حتی بی‌گام بی‌دررو به بازده کارنو نزدیک شود.
2. موتورهای استرلینگ برای همین ارزشمندند که با هر منبع گرمای بیرونی (خورشید، گرمای اتلافی، حتی اختلاف دمای فضا) کار می‌کنند و احتراق داخلی نمی‌خواهند. چرا موتور چرخه‌بسته با گرمایش بیرونی برای این کاربردها جذاب است؟

فیزیک پشت این آزمایش

← بازگشت به آزمایش