Carnotov cyklus: maximálna možná účinnosť motora

1 · Predikuj

Carnotov motor prevedie plyn cez 4 úseky (izotermické rozpínanie, adiabatické rozpínanie, izotermické stláčanie, adiabatické stláčanie) späť do štartovacieho stavu. Zmení sa vnútorná energia plynu cez jeden celý cyklus?

• Vnútorná energia rastie cez cyklus, pretože plyn koná čisto kladnú prácu.
• Vnútorná energia sa vráti na štartovaciu hodnotu — nulová čistá zmena cez uzavretý cyklus.
• Vnútorná energia klesá cez cyklus.

2 · Priprav

1. Otvor predvolbu Carnotov cyklus a stlač Resetovať. 1 mol argónu (f = 3) cyklí medzi teplým zásobníkom 600 K a studeným zásobníkom 300 K.
2. Zapni odčítanie práce na úsek.
3. Pre každý úsek cyklu (1 až 4) odčítaj cieľový objem úseku a prácu vykonanú plynom počas toho úseku.

3 · Zbieraj údaje

Načrtni P-V diagram pre všetkých 4 úseky, označ, či je každý úsek izotermický alebo adiabatický a či plyn koná kladnú alebo zápornú prácu.

4 · Analyzuj

1. Spočítaj hodnoty práce svojich 4 úsekov. Porovnaj celkovú sumu s nR(Th − Tc)·ln(2) (približne, pre objemové pomery tohto cyklu) a porovnaj účinnosť cyklu η = W_net/Qin s Carnotovou hodnotou η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Dva úseky majú kladnú prácu (rozpínanie) a dva zápornú (stláčanie). Vysvetli, prečo *čistá* práca cez celý cyklus je stále kladná, čím je to tepelný motor namiesto slučky, ktorá nerobí nič.

5 · Rozšír

1. Žiadny skutočný motor pracujúci medzi tými istými dvoma teplotami zásobníkov nemôže prekonať Carnotovu účinnosť. Vysvetli pomocou η_c = 1 − Tc/Th, prečo motor mohol dosiahnuť 100 % účinnosť len keby Tc = 0 K — fyzikálne nedosiahnuteľné.
2. Carnotov cyklus je postavený výhradne z vratných krokov (izotermických a adiabatických, obe idealizované ako nekonečne pomalé). Vysvetli, prečo skutočný motor, ktorý nevyhnutne má trenie a prenos tepla konečnou rýchlosťou, sa nikdy celkom nedostane na túto ideálnu účinnosť.

Fyzika za týmto experimentom

← Späť na experiment

138 bezplatných tlačiteľných pracovných listov z fyziky