Den reverserte Carnot-syklusen: et kjøleskap

1 · Prediker

Å kjøre Carnot-syklusen baklengs gjør en motor om til et kjøleskap — netto arbeid går INN i stedet for å komme ut. Absorberer gassen fortsatt varme fra det kalde reservoaret, som et ekte kjøleskap som trekker varme ut av innsiden sin?

• Nei — å reversere syklusen reverserer også hvilket reservoar som absorberer varme.
• En reversert syklus utveksler ikke varme med noe av reservoarene.
• Ja — den reverserte syklusen absorberer varme fra den kalde siden og dumpen mer varme inn på den varme siden, ved å bruke inngangsarbeidet til å gjøre det.

2 · Oppsett

1. Åpne Carnot-kjøleskap-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. De samme 4 trinnene som i Carnot-syklusen kjøres i reversert rekkefølge.
2. Aktiver per-trinn arbeidsavlesningen, samt kjøle-/varme-COP-avlesningene.
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, og spor trinnene i rekkefølge. Sammenlign retningsretningen (med klokken eller mot klokken) med Carnot-syklus-eksperimentets diagram.

4 · Analyser

1. Summer arbeidsverdiene fra de 4 trinnene dine — totalen (netto arbeid utført AV gassen) bør bli negativ, noe som betyr at netto arbeid må tilføres TIL gassen. Beregn kjøle-COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1,0 og varme-COP = Th/(Th − Tc) = 2,0.
2. Sammenlign trinnrekkefølgen her med Carnot-syklusens trinnrekkefølge. Forklar hvordan enkel reversering av rekkefølgen av de samme 4 trinnene snur syklusen fra en motor (netto arbeid ut) til et kjøleskap (netto arbeid inn).

5 · Utvid

1. En kjøle-COP på 1,0 betyr at kjøleskapet flytter 1 J varme ut av det kalde rommet for hver 1 J arbeid tilført. En varme-COP på 2,0 (varmepumpemodus) betyr at det leverer 2 J varme til det varme rommet per 1 J arbeid. Forklar hvorfor COP_heat alltid er nøyaktig 1 mer enn COP_cool for de samme reservoarene.
2. I motsetning til motorens virkningsgrad (alltid ≤ 1) kan COP overstige 1 — det er ikke et brudd på energibevaringen. Forklar hvorfor COP > 1 er mulig: den ekstra leverte energien kommer fra reservoaret som kjøles ned, ikke skapt fra ingenting.

Fysikken bak dette eksperimentet

← Tilbake til eksperimentet

138 gratis, utskrivbare fysikk-arbeidsark