Carnot-syklusen: maksimal mulig motoreffektivitet

1 · Prediker

En Carnot-motor fører gassen gjennom 4 trinn (isoterm ekspansjon, adiabatisk ekspansjon, isoterm kompresjon, adiabatisk kompresjon) tilbake til starttilstanden. Endrer gassens indre energi seg over én fullstendig syklus?

• Den indre energien øker over syklusen, siden gassen utfører netto positivt arbeid.
• Den indre energien vender tilbake til startverdien — null netto endring over en lukket syklus.
• Den indre energien synker over syklusen.

2 · Oppsett

1. Åpne Carnot-syklus-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. 1 mol argon (f = 3) sykler mellom et varmt reservoar på 600 K og et kaldt reservoar på 300 K.
2. Aktiver per-trinn arbeidsavlesningen.
3. For hvert trinn i syklusen (1 til 4), avles trinnets mål volum og arbeidet utført av gassen under det trinnet.

3 · Samle inn data

Skisser P-V-diagrammet for alle 4 trinnene, og marker om hvert trinn er isotermt eller adiabatisk, og om gassen utfører positivt eller negativt arbeid.

4 · Analyser

1. Summer arbeidsverdiene fra de 4 trinnene dine. Sammenlign totalen med nR(Th − Tc)·ln(2) (tilnærmet, for denne syklusens volumforhold), og sammenlign syklusens virkningsgrad η = W_net/Qin med Carnot-verdien η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0,5.
2. To trinn har positivt arbeid (ekspansjon) og to har negativt arbeid (kompresjon). Forklar hvorfor *netto* arbeidet over hele syklusen fortsatt er positivt, noe som gjør dette til en varmemaskin i stedet for en gjør-ingenting-sløyfe.

5 · Utvid

1. Ingen ekte motor som drives mellom de samme to reservoartemperaturene kan slå Carnot-virkningsgraden. Forklar, med η_c = 1 − Tc/Th, hvorfor en motor kunne nå 100 % virkningsgrad bare hvis Tc = 0 K — fysisk utilgjengelig.
2. Carnot-syklusen er bygget utelukkende av reversible trinn (isoterme og adiabatiske, begge idealisert som uendelig langsomme). Forklar hvorfor en ekte motor, som uunngåelig har friksjon og varmeoverføring med endelig hastighet, aldri helt kan nå denne ideelle virkningsgraden.

Fysikken bak dette eksperimentet

← Tilbake til eksperimentet

138 gratis, utskrivbare fysikk-arbeidsark