Stirlingo ciklas: izoterminės kojos su regeneracija

1 · Spėk

Stirlingo ciklas naudoja 2 izotermines kojas ir 2 izochorines kojas, jokių adiabatinių apskritai. Jo naudingumas iš principo gali atitikti Karno vertę, jei tobulybė „regeneratorius“ perdirba šilumą tarp izochorinių kojų. Be idealaus regeneratoriaus, ar paprastojo ciklo naudingumas, kurį išmatuoji, atsilieka nuo Karno ribos?

2 · Paruošk

  1. Atidaryk „Stirlingo ciklas“ eksperimentą ir spausk Atstatyti. 1 mol argono cirkuliuoja tarp 600 K ir 300 K naudodamas tik izotermines ir izochorines kojas.
  2. Įjunk kojų darbo rodmuo ir ciklo naudingumo rodmuo.
  3. Kiekvienai ciklo kojai (nuo 1 iki 4) nuskaityk kojos taikinio tūrį ir dujų atliktą darbą per tą koją.

3 · Rink duomenis

Kojos numerisKojos taikinio tūris V (m³)Dujų atliktas darbas šioje kojoje (J)
1
2
3
4

Eskizuok P-V diagramą visoms 4 kojoms, pažymėdamas 2 izoterminius (kreivuosius) ir 2 izochorinius (vertikaliuosius) segmentus.

4 · Analizuok

  1. Patvirtink, kad 2 ir 4 kojos (izochorinės) rodo W = 0. Sudėk visų 4 kojų darbus grynajam ciklo darbui ir palygink ciklo naudingumo rodmenį su Karno riba η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. Šio ciklo žaliasis naudingumas (be idealaraus regeneratoriaus, atgaunančio izochorinių kojų šilumą) lieka žemiau 0.5. Paaiškink, naudodamas pirmąjį dėsnį, kodėl šiluma, išmesta izochorinio vėsinimo kojos metu, yra energija, kurios paprastasis variklis neatgauna.

5 · Išplėsk

  1. Realus Stirlingo variklys naudoja regeneratorių — tinklelį, kaupiantį šilumą, išleistą izochorinio vėsinimo metu, ir grąžinantį ją izochorinio kaitinimo metu. Paaiškink, kodėl tobulas regeneratorius leistų šiam ciklui artėti prie Karno naudingumo net be adiabatinių kojų.
  2. Stirlingo varikliai vertinami už galimybę veikti su bet kokiu išoriniu šilumos šaltiniu (saulė, atliekinė šiluma, net temperatūrų skirtumai kosmose), o ne reikalaujant vidinio degimo. Kodėl uždarasis ciklas su išoriniu kaitinimu gali būti patrauklus toms programoms?

Fizika už šio eksperimento

Karno riba ciklo naudingumui

Joks ciklas, veikiantis tarp temperatūrų Tc ir Th — įskaitant Stirlingą — negali viršyti Karno naudingumo η_c = 1 − Tc/Th. Realus (neregeneruotas) Stirlingo ciklas atsilieka nuo šios ribos, nes išmeta neatgautą šilumą izochorinio vėsinimo kojos metu.

← Grįžti prie eksperimento

Termodinamika

138 nemokami spausdinami fizikos darbo lapai