Carnot'n sykli: suurin mahdollinen moottorin hyötysuhde

1 · Ennusta

Carnot'n moottori kuljettaa kaasun 4 etapin läpi (isoterminen laajeneminen, adiabaattinen laajeneminen, isoterminen tiivistys, adiabaattinen tiivistys) takaisin lähtötilaan. Muuttuuko kaasun sisäenergia yhden täyden syklin yli?

• Sisäenergia kasvaa syklin yli, koska kaasu tekee nett positiivista työtä.
• Sisäenergia palaa lähtöarvoonsa – nolla nettomuutos suljetun syklin yli.
• Sisäenergia laskee syklin yli.

2 · Kokoa

1. Avaa Carnot'n sykli -esiasetus ja paina Nollaa. 1 mol argonia (f = 3) kiertää 600 K kuumasäiliön ja 300 K kylmäsäiliön välillä.
2. Ota käyttöön etappikohtainen työ-lukema.
3. Jokaiselle syklin etapille (1–4) lue etapin tavoitetilavuus ja kaasun tekemä työ sen etapin aikana.

3 · Kerää data

Hahmottele P-V-kaavio kaikille 4 etapille merkitsemällä, onko kukin etappi isoterminen vai adiabaattinen ja tekeekö kaasu positiivista vai negatiivista työtä.

4 · Analysoi

1. Summaa 4 etappisi työt. Vertaa kokonaissummaa arvoon nR(Th − Tc)·ln(2) (likimain, tämän syklin tilavuussuhteille) ja vertaa syklin hyötysuhdetta η = W_net/Qin Carnot'n arvoon η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Kaksi etappia tekee positiivista työtä (laajeneminen) ja kaksi negatiivista työtä (tiivistys). Selitä, miksi koko syklin nettotyö on silti positiivinen, tehden tästä lämpökoneen eikä tyhjänä pyörivää silmukkaa.

5 · Laajenna

1. Mikään todellinen moottori, joka toimii samojen kahden säiliölämpötilan välillä, ei voi voittaa Carnot'n hyötysuhdetta. Selitä kaavalla η_c = 1 − Tc/Th, miksi moottori saavuttaisi 100 % hyötysuhteen vain, jos Tc = 0 K – fyysisesti saavuttamaton.
2. Carnot'n sykli rakentuu kokonaan käänteisistä vaiheista (isoterminen ja adiabaattinen, molemmat ideaalistettuina äärettömän hitaiksi). Selitä, miksi todellinen moottori, jolla väistämättä on kitkaa ja äärellisen nopeuden lämmönsiirtoa, ei voi koskaan ihan saavuttaa tätä ideaalihyötysuhdetta.

Tämän kokeen fysiikka

← Takaisin kokeeseen

138 ilmaista tulostettavaa fysiikan työarkkia