Stirling-syklusen: isoterme trinn med regenerering

1 · Prediker

Stirling-syklusen bruker 2 isoterme trinn og 2 isokore trinn, ingen adiabatiske trinn i det hele tatt. Virkningsgraden kan i prinsippet matche Carnot-verdien hvis en perfekt «regenerator» resirkulerer varme mellom de isokore trinnene. Uten en ideell regenerator, faller den enkle sykluseffektiviteten du måler, kort av Carnot-grensen?

2 · Oppsett

  1. Åpne Stirling-syklus-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. 1 mol argon sykler mellom 600 K og 300 K ved bruk av kun isoterme og isokore trinn.
  2. Aktiver per-trinn arbeidsavlesningen og sykluseffektivitet-avlesningen.
  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

TrinnummerTrinnets mål volum V (m³)Arbeid utført av gassen dette trinnet (J)
1
2
3
4

Skisser P-V-diagrammet for alle 4 trinnene, og marker de 2 isoterme (krumme) og 2 isokore (vertikale) segmentene.

4 · Analyser

  1. Bekreft at trinn 2 og 4 (isokore) viser W = 0. Summer alle 4 trinners arbeid for netto syklusarbeid, og sammenlign syklusens virkningsgradsavlesning med Carnot-grensen η_c = 1 − 300/600 = 0,5.
  2. Denne syklusens rå virkningsgrad (uten en ideell regenerator som gjenvinner de isokore trinnenes varme) forblir under 0,5. Forklar, med første lov, hvorfor varmen dumpet under det isokore nedkjølingstrinnet representerer energi den enkle motoren ikke gjenvinner.

5 · Utvid

  1. En ekte Stirling-motor bruker en regenerator — et nett som lagrer varmen frigjort under isokor nedkjøling og returnerer den under isokor oppvarming. Forklar hvorfor en perfekt regenerator ville la denne syklusen nærme seg Carnot-virkningsgraden selv uten adiabatiske trinn.
  2. Stirling-motorer er verdsatt for å kunne drives av enhver ekstern varmekilde (sol, spillvarme, til og med temperaturforskjeller i verdensrommet) i stedet for å kreve intern forbrenning. Hvorfor kan en lukket syklusmotor med ekstern oppvarming være attraktiv for disse anvendelsene?

Fysikken bak dette eksperimentet

Carnot-grense for sykluseffektivitet

Ingen syklus som drives mellom temperaturene Tc og Th — Stirling inkludert — kan overstige Carnot-virkningsgraden η_c = 1 − Tc/Th. En ekte (ikke-regenerert) Stirling-syklus faller kort av denne grensen fordi den dumper ugjenvunnet varme under sitt isokore nedkjølingstrinn.

← Tilbake til eksperimentet

Termodynamikk

138 gratis, utskrivbare fysikk-arbeidsark