Stirlingin sykli: isotermit etapit regeneraatiolla

1 · Ennusta

Stirlingin sykli käyttää 2 isotermeä etappia ja 2 isokoorista etappia, ei yhtään adiabaattista etappia. Sen hyötysuhde voi periaatteessa vastata Carnot'n arvoa, jos täydellinen ”regeneraattori” kierrättää lämpöä isokooristen etappien välillä. Ilman ideaalia regeneraattoria jääkö mittaamasi yksinkertaisen syklin hyötysuhde Carnot'n rajan alapuolelle?

2 · Kokoa

  1. Avaa Stirlingin sykli -esiasetus ja paina Nollaa. 1 mol argonia kiertää arvojen 600 K ja 300 K välillä käyttäen vain isotermejä ja isokoorisia etappeja.
  2. Ota käyttöön etappikohtainen työ-lukema ja syklin hyötysuhteen lukema.
  3. Jokaiselle syklin etapille (1–4) lue etapin tavoitetilavuus ja kaasun tekemä työ sen etapin aikana.

3 · Kerää data

Etapin numeroEtapin tavoitetilavuus V (m³)Kaasun tekemä työ tällä etapilla (J)
1
2
3
4

Hahmottele P-V-kaavio kaikille 4 etapille merkitsemällä 2 isotermeä (kaarevaa) ja 2 isokoorista (pystysuoraa) segmenttiä.

4 · Analysoi

  1. Varmenna, että etapit 2 ja 4 (isokooriset) näyttävät W = 0. Summaa kaikkien 4 etapin työ nettosyklityöksi ja vertaa syklin hyötysuhteen lukemaa Carnot-rajaan η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. Tämän syklin raaka hyötysuhde (ilman ideaalia regeneraattoria, joka palauttaisi isokooristen etappien lämmön) pysyy arvon 0.5 alapuolella. Selitä ensimmäisen lain avulla, miksi isokoorisen jäähtymisetapin aikana dumppattu lämpö edustaa energiaa, jota yksinkertainen moottori ei palauta.

5 · Laajenna

  1. Todellinen Stirling-moottori käyttää regeneraattoria – verkkoa, joka varastoi isokoorisen jäähtymisen aikana vapautuvan lämmön ja palauttaa sen isokoorisen lämmityksen aikana. Selitä, miksi täydellinen regeneraattori antaisi tämän syklin lähestyä Carnot'n hyötysuhdetta ilman adiabaattisia etappeja.
  2. Stirling-moottoreita arvostetaan siitä, että ne toimivat millä tahansa ulkoisella lämpölähteellä (aurinko, hukkalämpö, jopa lämpötilaerot avaruudessa) sen sijaan, että ne vaatisivat sisäistä palamista. Miksi ulkoisesti lämmitetty suljetun syklin moottori voisi olla houkutteleva niille sovelluksille?

Tämän kokeen fysiikka

Carnot-raja syklin hyötysuhteelle

Mikään sykli, joka toimii lämpötilojen Tc ja Th välillä – Stirling mukaan lukien – ei voi ylittää Carnot'n hyötysuhdetta η_c = 1 − Tc/Th. Todellinen (ei-regeneroitu) Stirlingin sykli jää tämän rajan alapuolelle, koska se dumppaa palautumatonta lämpöä isokoorisen jäähtymisetapin aikana.

← Takaisin kokeeseen

Termodynamiikka

138 ilmaista tulostettavaa fysiikan työarkkia