Цикл Карно: максимально возможный КПД двигателя

1 · Прогноз

Двигатель Карно проводит газ через 4 участка (изотермическое расширение, адиабатное расширение, изотермическое сжатие, адиабатное сжатие) назад в исходное состояние. Меняется ли внутренняя энергия газа за один полный цикл?

• Внутренняя энергия растёт за цикл, так как газ совершает чистую положительную работу.
• Внутренняя энергия возвращается к стартовому значению — нулевое чистое изменение за замкнутый цикл.
• Внутренняя энергия падает за цикл.

2 · Подготовка

1. Откройте пресет carnot-cycle и нажмите «Сброс». 1 моль аргона (f = 3) циклически переходит между горячим резервуаром 600 K и холодным 300 K.
2. Включите показание работы по участкам.
3. Для каждого участка цикла (от 1 до 4) считайте целевой объём участка и работу, совершённую газом на этом участке.

3 · Сбор данных

Набросайте P-V-диаграмму всех 4 участков, помечая, какой участок изотермический или адиабатный и совершает ли газ положительную или отрицательную работу.

4 · Анализ

1. Сложите значения работы всех 4 своих этапов. Сравните сумму с nR(Th − Tc)·ln(2) (приближённо, для отношений объёмов этого цикла), а КПД цикла η = W_net/Qin — со значением Карно η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. У двух участков работа положительна (расширение), у двух отрицательна (сжатие). Объясните, почему *чистая* работа за полный цикл всё равно положительна, делая это тепловым двигателем, а не пустым циклом.

5 · Развитие

1. Никакой реальный двигатель между теми же двумя температурами резервуаров не превзойдёт КПД Карно. Используя η_c = 1 − Tc/Th, объясните, почему двигатель мог бы достичь 100% КПД только при Tc = 0 K — физически недостижимо.
2. Цикл Карно целиком построен из обратимых шагов (изотермы и адиабаты, обе идеализированы как бесконечно медленные). Объясните, почему реальный двигатель, в котором неизбежны трение и теплопередача конечной скорости, никогда не достигнет этого идеального КПД.

Физика этого эксперимента

← Вернуться к эксперименту