De Stirlingcyclus: isotherme etappes met regeneratie

1 · Voorspel

De Stirlingcyclus gebruikt 2 isotherme etappes en 2 isochore etappes, helemaal geen adiabatische. Zijn rendement kan in principe de Carnot-waarde evenaren als een perfecte "regenerator" warmte hergebruikt tussen de isochore etappes. Blijft het rendement van de eenvoudige cyclus dat je meet zonder ideale regenerator achter bij de Carnot-grens?

• Ja — zonder regenerator ligt het ruwe rendement van deze cyclus onder de Carnot-grens voor dezelfde twee reservoirtemperaturen.
• Het rendement is exact gelijk aan de Carnot-grens, ongeacht regeneratie.
• Het rendement overschrijdt de Carnot-grens.

2 · Opstelling

1. Open de voorinstelling stirling-cycle en druk op Herstel. 1 mol argon doorloopt een cyclus tussen 600 K en 300 K met alleen isotherme en isochore etappes.
2. Zet de aflezing van de arbeid per etappe en de aflezing van het cyclusrendement aan.
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 van alle 4 etappes en markeer de 2 isotherme (gekromde) en 2 isochore (verticale) segmenten.

4 · Analyseer

1. Controleer dat etappe 2 en 4 (isochoor) W = 0 tonen. Tel de arbeid van alle 4 etappes op voor de netto cyclusarbeid en vergelijk de aflezing van het cyclusrendement met de Carnot-grens η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Het ruwe rendement van deze cyclus (zonder ideale regenerator die de warmte van de isochore etappes terugwint) blijft onder 0.5. Leg met de eerste hoofdwet uit waarom de warmte die tijdens de isochore-koelingsetappe wordt gedumpt energie is die de eenvoudige machine niet terugwint.

5 · Verdiep

1. Een echte Stirlingmachine gebruikt een regenerator — een gaas dat warmte opslaat die vrijkomt tijdens de isochore koeling en teruggeeft tijdens de isochore verwarming. Leg uit waarom een perfecte regenerator deze cyclus tot nabij het Carnot-rendement zou laten komen, ook zonder adiabatische etappes.
2. Stirlingmachines worden gewaardeerd omdat ze op elke externe warmtebron kunnen draaien (zon, restwarmte, zelfs temperatuurverschillen in de ruimte) in plaats van inwendige verbranding te vereisen. Waarom zou een gesloten cyclusmachine met externe verwarming voor die toepassingen aantrekkelijk zijn?

De natuurkunde achter dit experiment

← Terug naar experiment

138 gratis printbare labwerkbladen voor natuurkunde