Stirlingov ciklus: izotermne dionice s regeneracijom

1 · Predviđanje

Stirlingov ciklus koristi 2 izotermne i 2 izohorne dionice, bez ijedne adijabatske. Njegova korisnost u načelu može dostići Carnotovu vrijednost ako savršen „regenerator“ reciklira topline između izohornih dionica. Bez idealnog regeneratora, zaostaje li jednostavna korisnost ciklusa koju izmjeriš ispod Carnotove granice?

2 · Postava

  1. Otvori postav stirling-cycle i pritisni Resetiraj. 1 mol argona kruži između 600 K i 300 K koristeći samo izotermne i izohorne dionice.
  2. Omogući očitanje rada po dionici i očitanje korisnosti ciklusa.
  3. Za svaku dionicu ciklusa (1 do 4), očitaj ciljni volumen dionice i rad plina tijekom te dionice.

3 · Prikupljanje podataka

Broj dioniceCiljni volumen dionice V (m³)Rad plina u ovoj dionici (J)
1
2
3
4

Skiciraj P-V dijagram za sve 4 dionice, označavajući 2 izotermna (zakrivljena) i 2 izohorna (okomita) segmenta.

4 · Analiza

  1. Potvrdi da dionice 2 i 4 (izohorne) pokazuju W = 0. Zbroji rad svih 4 dionica za neto rad ciklusa i usporedi očitanje korisnosti ciklusa s Carnotovom granicom η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. Sirova korisnost ovog ciklusa (bez idealnog regeneratora koji vraća topline izohornih dionica) ostaje ispod 0.5. Objasni, koristeći prvi zakon, zašto toplina ispuštena tijekom izohornog hlađenja predstavlja energiju koju jednostavan motor ne vraća.

5 · Proširenje

  1. Pravi Stirlingov motor koristi regenerator — mrežicu koja pohranjuje topline oslobođenu tijekom izohornog hlađenja i vraća je tijekom izohornog zagrijavanja. Objasni zašto bi savršen regenerator pustio ovaj ciklus da se približi Carnotovoj korisnosti čak i bez adijabatskih dionica.
  2. Stirlingovi motori cijenjeni su jer rade na bilo koji vanjski izvor topline (solarna, otpadna toplina, čak i temperaturne razlike u svemiru) umjesto da zahtijevaju unutarnje izgaranje. Zašto bi motor zatvorenog ciklusa s vanjskim grijanjem bio privlačan za te namjene?

Fizika iza ovog pokusa

Carnotova granica korisnosti ciklusa

Nijedan ciklus između temperatura Tc i Th — uključujući Stirlingov — ne može premašiti Carnotovu korisnost η_c = 1 − Tc/Th. Stvarni (neregenerirani) Stirlingov ciklus zaostaje za tom granicom jer ispušta nepovraćenu topline tijekom izohornog hlađenja.

← Natrag na pokus

Termodinamika

138 besplatnih radnih listova iz fizike za ispis