Stirlingov cyklus: izotermické úseky s regeneráciou

1 · Predikuj

Stirlingov cyklus používa 2 izotermické a 2 izochorické úseky, žiadne adiabatické. Jeho účinnosť môže v princípe dosiahnuť Carnotovu hodnotu, keď dokonaly „regenerátor“ recykluje teplo medzi izochorickými úsekmi. Bez ideálneho regenerátora zaostáva jednoduchá nameraná účinnosť cyklu za Carnotovou hranicou?

2 · Priprav

  1. Otvor predvolbu Stirlingov cyklus a stlač Resetovať. 1 mol argónu cyklí medzi 600 K a 300 K len izotermickými a izochorickými úsekmi.
  2. Zapni odčítanie práce na úsek a odčítanie účinnosti cyklu.
  3. Pre každý úsek cyklu (1 až 4) odčítaj cieľový objem úseku a prácu vykonanú plynom počas toho úseku.

3 · Zbieraj údaje

Číslo úsekuCieľový objem úseku V (m³)Práca vykonaná plynom v tomto úseku (J)
1
2
3
4

Načrtni P-V diagram pre všetkých 4 úseky, označ 2 izotermické (zakrivené) a 2 izochorické (zvislé) segmenty.

4 · Analyzuj

  1. Potvrď, že úseky 2 a 4 (izochorické) ukazujú W = 0. Spočítaj prácu všetkých 4 úsekov na čistú prácu cyklu a porovnaj odčítanie účinnosti cyklu s Carnotovou hranicou η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
  2. Surová účinnosť tohto cyklu (bez ideálneho regenerátora zachytávajúceho teplo izochorických úsekov) zostáva pod 0.5. Vysvetli pomocou prvého zákona, prečo teplo vypustené počas úseku izochorického chladenia predstavuje energiu, ktorú jednoduchý motor nevyužije.

5 · Rozšír

  1. Skutočný Stirlingov motor používa regenerátor — mriežku, ktorá ukladá teplo uvoľnené počas izochorického chladenia a vracia ho počas izochorického zohrievania. Vysvetli, prečo dokonalý regenerátor by dovolil tomuto cyklu priblížiť sa Carnotovej účinnosti aj bez adiabatických úsekov.
  2. Stirlingove motory sú cenené pre beh na akýkoľvek vonkajší zdroj tepla (solárny, odpadné teplo, dokonca teplotné rozdiely vo vesmíre) namiesto požiadavky vnútorného spaľovania. Prečo môže byť uzavretý cyklus s vonkajším ohrevom atraktívny pre tieto aplikácie?

Fyzika za týmto experimentom

Carnotova hranica účinnosti cyklu

Žiadny cyklus pracujúci medzi teplotami Tc a Th — vrátane Stirlingovho — nemôže prekonať Carnotovu účinnosť η_c = 1 − Tc/Th. Skutočný (neregenerovaný) Stirlingov cyklus zaostáva za touto hranicou, pretože vypúšťa nevyužité teplo počas úseku izochorického chladenia.

← Späť na experiment

Termodynamika

138 bezplatných tlačiteľných pracovných listov z fyziky