스털링 사이클: 재생을 통한 등온 구간
1 · 예측
스털링 사이클은 등온 구간 2개와 등적(정적) 구간 2개를 사용하며 단열 구간은 전혀 없습니다.
- 예. 재생기가 없으면 이 사이클의 원시 효율성은 동일한 두 저장소 온도에 대한 카르노 한계보다 낮습니다.
- 효율은 재생에 관계없이 Carnot 한계와 정확히 동일합니다.
- 효율이 카르노 한계를 초과합니다.
2 · 설정
- ...등온 및 등적 구간만을 사용하여 600 K와 300 K 사이를 순환합니다.
- 단계별 일 표시 및 사이클 효율 표시를 활성화하세요.
- 주기의 각 구간(1~4)에 대해 구간의 목표 부피와 해당 구간 동안 가스가 수행한 작업을 읽습니다.
3 · 데이터 수집
| 과정 번호 | 해당 과정의 목표 부피 V (L) | 해당 과정에서 기체가 한 일 (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
...2개의 등온선(곡선) 구간과 2개의 등적선(수직) 구간을 표시하세요.
4 · 분석
- ...카르노 한계 η_c = 1 − 300/600 = 0.5와 비교합니다.
- (등적 단계의 열을 회수하는 이상적인 재생기가 없는) 이 사이클의 순수 효율은 0.5 미만으로 유지됩니다. 열역학 제1법칙을 이용해, 등적 냉각 단계 동안 버려지는 열이 왜 단순한 엔진이 회수하지 못하는 에너지를 나타내는지 설명하세요.
5 · 확장
- ...(등적 냉각 중에 방출된 열을 저장했다가 등적 가열 중에 돌려주는 메시)...
- 스털링 엔진은 내연이 필요 없이 어떤 외부 열원(태양열, 폐열, 심지어 우주에서의 온도차)으로도 작동할 수 있다는 점에서 높이 평가됩니다. 외부 가열식 폐쇄 사이클 엔진이 왜 그런 응용에 매력적일 수 있을까요?
이 실험의 물리학
사이클 효율의 카르노 한계
Tc와 Th 사이에서 작동하는 어떤 사이클도 — 스털링을 포함해서 — 카르노 효율 η_c = 1 − Tc/Th를 넘을 수 없습니다. (재생 없는) 실제 스털링 사이클은 등적 냉각 단계에서 회수되지 않은 열을 버리기 때문에 이 한계에 미치지 못합니다.