วัฏจักรคาร์โนต์ ประสิทธิภาพเครื่องจักรสูงสุดที่เป็นไปได้

1 · ทำนาย

เครื่องจักรคาร์โนต์พาแก๊สผ่าน 4 ขั้น (ขยายตัวอุณหภูมิคงที่ ขยายตัวอะเดียแบติก อัดตัวอุณหภูมิคงที่ อัดตัวอะเดียแบติก) กลับสู่สถานะเริ่มต้น พลังงานภายในของแก๊สเปลี่ยนแปลงหรือไม่ในหนึ่งวัฏจักรสมบูรณ์

• พลังงานภายในเพิ่มขึ้นตลอดวัฏจักร เพราะแก๊สทำงานสุทธิบวก
• พลังงานภายในกลับสู่ค่าเริ่มต้น — เปลี่ยนแปลงสุทธิเป็นศูนย์ในวัฏจักรปิด
• พลังงานภายในลดลงตลอดวัฏจักร

2 · จัดเตรียม

1. เปิดพรีเซ็ท carnot-cycle แล้วกดรีเซ็ต อาร์กอน 1 mol (f = 3) วนรอบระหว่างแหล่งร้อน 600 K กับแหล่งเย็น 300 K
2. เปิดค่าแสดงงานรายขั้น
3. สำหรับทุกขั้นของวัฏจักร (1 ถึง 4) อ่านปริมาตรเป้าหมายของขั้นและงานที่แก๊สทำในขั้นนั้น

3 · เก็บข้อมูล

ร่างไดอะแกรม P-V ของทั้ง 4 ขั้น กำกับว่าแต่ละขั้นเป็นอุณหภูมิคงที่หรืออะเดียแบติก และแก๊สทำงานบวกหรือลบ

4 · วิเคราะห์

1. จงรวมค่างานของทั้ง 4 ช่วง เทียบผลรวมกับ nR(Th − Tc)·ln(2) (โดยประมาณ สำหรับอัตราส่วนปริมาตรของวัฏจักรนี้) และเทียมประสิทธิภาพ η = W_net/Qin กับค่าคาร์โนต์ η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5
2. สองขั้นมีงานเป็นบวก (การขยายตัว) และสองขั้นเป็นลบ (การอัดตัว) อธิบายว่าเหตุใดงาน*สุทธิ*ตลอดวัฏจักรจึงยังเป็นบวก ทำให้มันเป็นเครื่องจักรความร้อน ไม่ใช่วงจรที่ไม่ทำอะไรเลย

5 · ต่อยอด

1. เครื่องจักรจริงที่ทำงานระหว่างแหล่งที่อุณหภูมิเดียวกันไม่มีเครื่องใดเอาชนะประสิทธิภาพคาร์โนต์ได้ จงใช้ η_c = 1 − Tc/Th อธิบายว่าทำไมเครื่องจักรจะไปถึงประสิทธิภาพ 100% ได้ก็ต่อเมื่อ Tc = 0 K เท่านั้น ซึ่งเป็นไปไม่ได้ทางกายภาพ
2. วัฏจักรคาร์โนต์ประกอบขึ้นจากขั้นตอนย้อนกลับได้ทั้งหมด (อุณหภูมิคงที่และอะเดียแบติก ซึ่งอุดมคติให้ช้าไม่สิ้นสุด) อธิบายว่าเหตุใดเครื่องจักรจริง ซึ่งหลีกเลี่ยงแรงเสียดทานและการถ่ายเทความร้อนความเร็วจำกัดไม่ได้ จึงไม่มีวันไปถึงประสิทธิภาพอุดมคตินี้ได้พอดี

ฟิสิกส์เบื้องหลังการทดลองนี้

← กลับไปการทดลอง