A Carnot-körfolyamat: a lehetséges legnagyobb géphatásfok

1 · Jóslás

Egy Carnot-gép a gázt 4 szakaszon vezeti át (izoterm tágulás, adiabatikus tágulás, izoterm összenyomás, adiabatikus összenyomás) vissza a kiinduló állapotba. Változik-e a gáz belső energiája egy teljes körfolyamat során?

• A belső energia nő a körfolyamaton, mert a gáz nettó pozitív munkát végez.
• A belső energia visszatér a kiinduló értékére — nulla nettó változás zárt körfolyamaton át.
• A belső energia csökken a körfolyamaton.

2 · Előkészítés

1. Nyisd meg a carnot-cycle előbeállítást, és nyomd meg a Visszaállítást. 1 mól argon (f = 3) kering egy 600 K forró és egy 300 K hideg hőtartály között.
2. Engedélyezd a szakaszonkénti munka kijelzőt.
3. A körfolyamat minden szakaszánál (1-től 4-ig) olvasd le a szakasz céltérfogatát és a gáz által a szakasz alatt végzett munkát.

3 · Adatgyűjtés

Vázold fel a P–V diagramot mind a 4 szakaszhoz, jelölve, hogy mindegyik szakasz izoterm vagy adiabatikus, és hogy a gáz pozitív vagy negatív munkát végez.

4 · Elemzés

1. Add össze a 4 szakasz munkaértékeit. Hasonlítsd az összegidet az nR(Th − Tc)·ln(2)-höz (közelítőleg, e körfolyamat térfogatarányaihoz), és hasonlítsd a körfolyamat η = W_net/Qin hatásfokát a Carnot-értékhez: η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Két szakaszon pozitív a munka (tágulás), kettőn negatív (összenyomás). Magyarázd meg, miért mégis pozitív a teljes körfolyamat *nettó* munkája, ami hőerőgéppé teszi, ne tétlen hurkokká.

5 · Kiterjesztés

1. Ugyanezekközött a hőtartály-hőmérsékletek közt üzemelő valódi gép egyike sem múlhatja felül a Carnot-hatásfokot. Magyarázd meg a η_c = 1 − Tc/Th segítségével, miért érhetne egy gép 100% hatásfokot csak akkor, ha Tc = 0 K — fizikailag elérhetetlen.
2. A Carnot-körfolyamat teljes egészében reverzibilis lépésekből épül (izoterm és adiabatikus, mindkettő végtelen lassúnak idealizált). Magyarázd meg, miért nem érheti el soha egészen egy valódi gép — amelynek elkerülhetetlen a súrlódása és a véges sebességű hőátvitele — ezt az ideális hatásfokot.

A fizika a kísérlet mögött

← Vissza a kísérlethez

138 ingyenes nyomtatható fizikai munkalap