Siklus Stirling: Kaki Isotermal dengan Regenerasi
1 · Memprediksi
Siklus Stirling menggunakan 2 kaki isotermal dan 2 kaki isokorik, tidak ada kaki adiabatik sama sekali. Efisiensinya pada prinsipnya dapat menyamai nilai Carnot jika "regenerator" yang sempurna mendaur ulang panas di antara kaki-kaki isokhorik. Tanpa regenerator yang ideal, apakah efisiensi siklus sederhana yang Anda ukur tidak memenuhi batas Carnot?
- Ya — tanpa regenerator, efisiensi mentah siklus ini berada di bawah batas Carnot untuk dua suhu reservoir yang sama.
- Efisiensinya sama persis dengan batas Carnot tanpa memperhatikan regenerasi.
- Efisiensinya melebihi batas Carnot.
2 · Pengaturan
- Buka preset siklus stirling dan tekan Reset. 1 mol siklus argon antara 600 K dan 300 K hanya menggunakan kaki isotermal dan isokhorik.
- Aktifkan pembacaan pekerjaan per kaki dan pembacaan efisiensi siklus.
- Untuk setiap bagian siklus (1 sampai 4), bacalah volume target bagian tersebut dan usaha yang dilakukan oleh gas pada bagian tersebut.
3 · Kumpulkan Data
| Nomor kaki | Volume target kaki V (m³) | Usaha yang dilakukan dengan gas pada kaki ini (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Buat sketsa diagram P-V untuk keempat kakinya, tandai 2 segmen isotermal (melengkung) dan 2 segmen isokhorik (vertikal).
4 · Analisis
- Konfirmasikan kaki 2 dan 4 (isokhorik) menunjukkan W = 0 . Jumlahkan semua kerja kaki 4 untuk kerja siklus bersih, dan bandingkan pembacaan efisiensi siklus dengan batas Carnot η_c = 1 − 300 /600 = 0.5 .
- Efisiensi mentah siklus ini (tanpa regenerator ideal yang memulihkan panas kaki isokorik) tetap di bawah 0,5. Jelaskan, dengan menggunakan hukum pertama, mengapa panas yang dibuang selama tahap pendinginan isokhorik mewakili energi yang tidak dapat diperoleh kembali oleh mesin sederhana.
5 · Perluas
- Mesin Stirling yang sebenarnya menggunakan regenerator - jaring yang menyimpan panas yang dilepaskan selama pendinginan isokorik dan mengembalikannya selama pemanasan isokorik. Jelaskan mengapa regenerator sempurna membiarkan siklus ini mendekati efisiensi Carnot bahkan tanpa kaki adiabatik.
- Mesin Stirling dihargai karena dijalankan dengan sumber panas eksternal apa pun (matahari, limbah panas, bahkan perbedaan suhu di ruang angkasa) daripada memerlukan pembakaran internal. Mengapa mesin siklus tertutup dengan pemanasan eksternal menarik untuk aplikasi tersebut?
Fisika di Balik Eksperimen Ini
Carnot Terikat pada Efisiensi Siklus
Tidak ada siklus yang beroperasi antara suhu Tc dan Th — termasuk Stirling — yang dapat melebihi efisiensi Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Siklus Stirling yang nyata (yang tidak diregenerasi) tidak mencapai batas ini karena ia membuang panas yang belum diperoleh kembali selama proses pendinginan isokhoriknya.