O Ciclo Stirling: Pernas Isotérmicas com Regeneração
1 · Prever
O ciclo Stirling usa etapas isotérmicas 2 e etapas isocóricas 2 , sem etapas adiabáticas. Sua eficiência pode, em princípio, corresponder ao valor de Carnot se um “regenerador” perfeito reciclar o calor entre as etapas isocóricas. Sem um regenerador ideal, a eficiência do ciclo simples que você mede fica aquém do limite de Carnot?
- Sim – sem regenerador, a eficiência bruta deste ciclo está abaixo do limite de Carnot para as mesmas duas temperaturas do reservatório.
- A eficiência é exatamente igual ao limite de Carnot, independentemente da regeneração.
- A eficiência excede o limite de Carnot.
2 · Preparar
- Abra a predefinição do ciclo Stirling e pressione Redefinir. 1 mol de argônio circula entre 600 K e 300 K usando apenas etapas isotérmicas e isocóricas.
- Ative a leitura do trabalho por etapa e a leitura da eficiência do ciclo.
- Para cada etapa do ciclo (1 a 4), leia o volume alvo da etapa e o trabalho realizado pelo gás durante essa etapa.
3 · Coletar Dados
| Número da etapa | Volume alvo da etapa V (m³) | Trabalho realizado pelo gás nesta etapa (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Esboce o diagrama PV para todas as 4 etapas , marcando 2 segmentos isotérmicos (curvo) e 2 isocórico (vertical).
4 · Analisar
- Confirme que as 2 etapas e 4 (isocóricas) mostram W = 0. Some todo o trabalho de 4 legs para o trabalho do ciclo líquido e compare a leitura da eficiência do ciclo com o limite de Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- A eficiência bruta deste ciclo (sem um regenerador ideal que recupere o calor das etapas isocóricas) fica abaixo de 0.5. Explique, usando a primeira lei, por que o calor liberado durante a etapa de resfriamento isocórico representa energia que o motor simples não recupera.
5 · Aprofundar
- Um motor Stirling real usa um regenerador – uma malha que armazena o calor liberado durante o resfriamento isocórico e o retorna durante o aquecimento isocórico. Explique por que um regenerador perfeito permitiria que este ciclo se aproximasse da eficiência de Carnot mesmo sem etapas adiabáticas.
- Os motores Stirling são valorizados por funcionarem com qualquer fonte de calor externa (solar, calor residual, até mesmo diferenças de temperatura no espaço), em vez de exigirem combustão interna. Por que um motor de ciclo fechado com aquecimento externo pode ser atraente para essas aplicações?
A física por trás deste experimento
Carnot vinculado à eficiência do ciclo
Nenhum ciclo operando entre temperaturas Tc e Th - incluindo Stirling - pode exceder a eficiência de Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Um ciclo Stirling real (não regenerado) fica aquém desse limite porque libera calor não recuperado durante sua etapa de resfriamento isocórico.