Ciclul Carnot: randamentul maxim posibil al unui motor

1 · Prezice

Un motor Carnot duce gazul prin 4 etape (destindere izotermă, destindere adiabatică, compresie izotermă, compresie adiabatică) înapoi la starea de pornire. Se schimbă energia internă a gazului pe un ciclu complet?

• Energia internă crește pe ciclu, pentru că gazul face lucru mecanic net pozitiv.
• Energia internă revine la valoarea de pornire — variație netă zero pe un ciclu închis.
• Energia internă scade pe ciclu.

2 · Montaj

1. Deschide presetarea carnot-cycle și apasă Resetează. 1 mol de argon (f = 3) circulă între un rezervor cald de 600 K și un rezervor rece de 300 K.
2. Activează citirea lucrului mecanic per etapă.
3. Pentru fiecare etapă a ciclului (1 până la 4), citește volumul țintă al etapei și lucrul mecanic făcut de gaz în timpul ei.

3 · Colectează date

Schițează diagrama P-V pentru toate cele 4 etape, marcând dacă fiecare etapă este izotermă sau adiabatică și dacă gazul face lucru mecanic pozitiv sau negativ.

4 · Analizează

1. Adună valorile lucrului mecanic ale celor 4 etape. Compară totalul cu nR(Th − Tc)·ln(2) (aproximativ, pentru rapoartele de volum ale acestui ciclu) și compară randamentul ciclului η = W_net/Qin cu valoarea Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Două etape au lucru mecanic pozitiv (destindere) și două negativ (compresie). Explică de ce lucrul mecanic *net* pe ciclul complet rămâne pozitiv, făcând din asta un motor termic, nu o buclă care nu face nimic.

5 · Extinde

1. Niciun motor real care funcționează între aceleași două temperaturi de rezervoare nu poate bate randamentul Carnot. Explică, folosind η_c = 1 − Tc/Th, de ce un motor ar putea atinge 100% randament doar dacă Tc = 0 K — fizic inaccesibil.
2. Ciclul Carnot este construit integral din pași reversibili (izotermi și adiabatici, ambii idealizați ca infinit de lenți). Explică de ce un motor real, care are inevitabil frecare și transfer termic cu viteză finită, nu poate atinge niciodată pe deplin acest randament ideal.

Fizica din spatele acestui experiment

← Înapoi la experiment

138 de fișe de laborator de fizică tipăribile gratuit