De omgekeerde Carnotcyclus: een koelkast

1 · Voorspel

De Carnotcyclus achteruit draaien verandert een machine in een koelkast — netto arbeid gaat ERIN in plaats van eruit. Neemt het gas nog steeds warmte op uit het koude reservoir, zoals een echte koelkast die warmte uit zijn binnenruimte trekt?

• Nee — het omkeren van de cyclus keert ook om welk reservoir warmte opneemt.
• Een omgekeerde cyclus wisselt met geen van beide reservoirs warmte uit.
• Ja — de omgekeerde cyclus neemt warmte op aan de koude kant en dumpt meer warmte in de hete kant, met behulp van de ingevoerde arbeid.

2 · Opstelling

1. Open de voorinstelling carnot-fridge en druk op Herstel. Dezelfde 4 etappes als carnot-cycle lopen in omgekeerde volgorde.
2. Zet de aflezing van de arbeid per etappe aan, en de COP-aflezingen voor koelen en verwarmen.
3. Lees voor elke etappe van de cyclus (1 tot en met 4) het doelvolume van de etappe af en de arbeid die het gas tijdens die etappe verricht.

3 · Verzamel gegevens

Schets het P-V-diagram en volg de etappes in volgorde. Vergelijk de looprichting (met de klok mee of tegen de klok in) met het diagram van het carnot-cycle-experiment.

4 · Analyseer

1. Tel je 4 etappe-arbeidswaarden bij elkaar op — het totaal (netto arbeid verricht DOOR het gas) hoort negatief uit te komen, wat betekent dat er netto arbeid AAN het gas moet worden toegevoerd. Bereken de koel-COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 en de verwarm-COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
2. Vergelijk de etappevolgorde hier met die van carnot-cycle. Leg uit hoe alleen al het omkeren van de volgorde van dezelfde 4 etappes de cyclus van een machine (netto arbeid uit) in een koelkast (netto arbeid in) verandert.

5 · Verdiep

1. Een koel-COP van 1,0 betekent dat de koelkast 1 J warmte uit de koude ruimte haalt per 1 J toegevoerde arbeid. Een verwarm-COP van 2,0 (warmtepompmodus) betekent dat hij 2 J warmte aan de warme ruimte afgeeft per 1 J arbeid. Leg uit waarom COP_heat voor dezelfde reservoirs altijd precies 1 hoger is dan COP_cool.
2. Anders dan motorrendement (altijd ≤ 1) kan COP groter zijn dan 1 — dat is geen schending van energiebehoud. Leg uit waarom COP > 1 mogelijk is: de extra geleverde energie komt uit het reservoir dat wordt gekoeld en wordt niet uit het niets geschapen.

De natuurkunde achter dit experiment

← Terug naar experiment

138 gratis printbare labwerkbladen voor natuurkunde