Odwrócony cykl Carnota: chłodziarka
1 · Prognoza
Bieg cyklu Carnota w tył zamienia silnik w chłodziarkę — praca netto wchodzi, zamiast wychodzić. Czy gaz nadal pobiera ciepło ze zbiornika zimnego, jak prawdziwa lodówka wyciągająca ciepło z wnętrza?
- Nie — odwrócenie cyklu odwraca też to, który zbiornik pobiera ciepło.
- Odwrócony cykl nie wymienia ciepła z żadnym zbiornikiem.
- Tak — odwrócony cykl pobiera ciepło ze strony zimnej i oddaje więcej ciepła stronie gorącej, używając do tego pracy wejściowej.
2 · Przygotowanie
- Otwórz preset chłodziarki Carnota i naciśnij Reset. Te same 4 odcinki co w cyklu Carnota biegną w odwrotnej kolejności.
- Włącz odczyt pracy per odcinek oraz odczyty COP chłodzenia/grzania.
- Dla każdego odcinka cyklu (1 do 4) odczytaj objętość docelową odcinka i pracę wykonaną przez gaz w tym odcinku.
3 · Zbieranie danych
| Numer odcinka | Objętość docelowa odcinka V (L) | Praca gazu w tym odcinku (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Naszkicuj wykres P–V, śledząc odcinki w kolejności. Porównaj kierunek przebiegu (zgodny czy przeciwny do wskazówek zegara) z wykresem eksperymentu cyklu Carnota.
4 · Analiza
- Zsumuj wartości pracy swoich 4 etapów — wynik (praca netto wykonana PRZEZ gaz) powinien wyjść ujemny: gazowi trzeba dostarczyć pracę netto. Oblicz chłodniczy COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 i grzewczy COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- Porównaj kolejność odcinków z kolejnością cyklu Carnota. Wyjaśnij, jak samo odwrócenie sekwencji tych samych 4 odcinków przełącza cykl z silnika (praca netto na zewnątrz) w chłodziarkę (praca netto do wewnątrz).
5 · Rozszerzenie
- COP chłodzenia 1.0 znaczy, że chłodziarka wynosi 1 J ciepła z zimnej przestrzeni na każdy 1 J dostarczonej pracy. COP grzania 2.0 (tryb pompy ciepła) znaczy, że oddaje 2 J ciepła ciepłej przestrzeni na 1 J pracy. Wyjaśnij, dlaczego COP_grzania jest zawsze dokładnie o 1 większy niż COP_chłodzenia dla tych samych zbiorników.
- W przeciwieństwie do sprawności silnika (zawsze ≤ 1) COP może przekroczyć 1 — to nie łamie zasady zachowania energii. Wyjaśnij, dlaczego COP > 1 jest możliwe: dodatkowa energia dostarczana pochodzi ze schładzanego zbiornika, a nie z niczego.
Fizyka tego eksperymentu
Współczynnik wydajności chłodziarki
Wydajność chłodniczą odwróconego cyklu Carnota mierzy COP_cool = Tc/(Th − Tc): ile ciepła usuwa się z przestrzeni zimnej na jednostkę dostarczonej pracy. Mniejsze różnice temperatur dają lepszy (wyższy) COP.