A Stirling-körfolyamat: izoterm szakaszok regenerációval

1 · Jóslás

A Stirling-körfolyamat 2 izoterm és 2 izochor szakaszt használ, egyáltalán nem adiabatikusat. A hatásfoka elvben elérheti a Carnot-értéket, ha egy tökéletes „regenerátor” újrahasznosítja a hőt az izochor szakaszok között. Ideális regenerátor nélkül a mért egyszerű körfolyamat-hatásfok elmarad a Carnot-korlát alatti értéktől?

2 · Előkészítés

  1. Nyisd meg a stirling-cycle előbeállítást, és nyomd meg a Visszaállítást. 1 mól argon kering 600 K és 300 K között, kizárólag izoterm és izochor szakaszokkal.
  2. Engedélyezd a szakaszonkénti munka kijelzőt és a körfolyamat-hatásfok 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

Szakasz számaSzakasz céltérfogata V (m³)A gáz munkája ezen a szakaszon (J)
1
2
3
4

Vázold fel a P–V diagramot mind a 4 szakaszhoz, jelölve a 2 izoterm (görbe) és 2 izochor (függőleges) részt.

4 · Elemzés

  1. Erősítsd meg, hogy a 2. és 4. szakasz (izochor) W = 0-t mutat. Sumázd mind a 4 szakasz munkáját a nettó körfolyamat-munkához, és hasonlítsd a körfolyamat hatásfok-leolvasását a Carnot-korláthoz: η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. E körfolyamat nyers hatásfoka (ideális regenerátor nélkül, amely visszanyerné az izochor szakaszok hőjét) 0.5 alatt marad. Magyarázd meg az első főtétellel, miért az izochor hűtési szakasz alatt kiadott hő a egyszerű gép által vissza nem nyert energiát jelenti.

5 · Kiterjesztés

  1. A valódi Stirling-motor regenerátort használ — egy hálót, amely az izochor hűtés alatt felszabaduló hőt tárolja, és az izochor fűtés alatt visszaadja. Magyarázd meg, miért engedné egy tökéletes regenerátor e körfolyamatnak megközelíteni a Carnot-hatásfokot adiabatikus szakaszok nélkül is.
  2. A Stirling-motorokat azért becsülik, mert bármilyen külső hőforráson működnek (nap, hulladékhő, sőt űrbéli hőmérséklet-különbségek), nem igényelnek belső égést. Miért lehet vonzó ezekhez az alkalmazásokhoz egy külső fűtésű, zárt körfolyamatú gép?

A fizika a kísérlet mögött

Carnot-korlát a körfolyamat-hatásfokra

Egyetlen, Tc és Th hőmérsékletek között működő körfolyamat — a Stirling is — sem haladhatja meg a η_c = 1 − Tc/Th Carnot-hatásfokot. Egy valódi (nem regenerált) Stirling-körfolyamat elmarad ettől a korláttól, mert az izochor hűtési szakasza alatt vissza nem nyert hőt ad ki.

← Vissza a kísérlethez

Termodinamika

138 ingyenes nyomtatható fizikai munkalap