Carnot Çevrimi: Mümkün Olan Maksimum Motor Verimliliği
1 · Tahmin Et
Bir Carnot motoru, gazı 4 ayaktan (izotermal genleşme, adyabatik genleşme, izotermal sıkıştırma, adyabatik sıkıştırma) başlangıç durumuna geri taşır. Gazın iç enerjisi bir tam çevrim boyunca değişiyor mu?
- Gaz net pozitif iş yaptığından çevrim boyunca iç enerji artar.
- İç enerji başlangıç değerine döner; kapalı bir döngüde sıfır net değişim.
- Çevrim boyunca iç enerji azalır.
2 · Kurulum
- Carnot döngüsü ön ayarını açın ve Sıfırla'ya basın. 1 mol argon (f = 3), 600 K sıcak rezervuar ile 300 K soğuk rezervuar arasında döngü yapar.
- Bacak başına çalışma okumasını etkinleştirin.
- Döngünün her bir ayağı için (1'den 4'e kadar), ayağın hedef hacmini ve o bacak boyunca gazın yaptığı işi okuyun.
3 · Veri Toplayın
| Bacak numarası | Bacağın hedef hacmi V (L) | Bu bacakta gazın yaptığı iş (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Her bir bacağın izotermal mi yoksa adyabatik mi olduğunu ve gazın pozitif mi yoksa negatif mi iş yaptığını işaretleyerek 4 bacağın tümü için P-V diyagramını çizin.
4 · Analiz et
- 4 bacaklarınızın çalışma değerlerini toplayın. Toplamı nR(Th − Tc)·ln(2) (yaklaşık olarak, bu döngünün hacim oranları için) ile karşılaştırın ve döngünün verimliliğini η = W_net/Qin Carnot değeri η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300 /600 ile karşılaştırın. = 0.5 .
- İki bacağın pozitif işi (genişleme) ve iki ayağının negatif işi (sıkıştırma) vardır. Tüm döngü boyunca *net* işin neden hala pozitif olduğunu, bunun hiçbir şey yapmama döngüsünden ziyade bir ısı motoru haline geldiğini açıklayın.
5 · Uzat
- Aynı iki rezervuar sıcaklığı arasında çalışan hiçbir gerçek motor Carnot verimliliğini geçemez. η_c = 1 − Tc/Th kullanarak bir motorun neden yalnızca Tc = 0 K (fiziksel olarak erişilemez olması) durumunda %100 verime ulaşabileceğini açıklayın.
- Carnot çevrimi tamamen tersinir adımlardan (izotermal ve adyabatik, her ikisi de sonsuz yavaş olarak idealize edilmiştir) oluşturulmuştur. Kaçınılmaz olarak sürtünmeye ve sonlu hızda ısı transferine sahip olan gerçek bir motorun neden bu ideal verime tam olarak ulaşamadığını açıklayın.
Bu Deneyin Arkasındaki Fizik
Carnot Verimliliği
Sıcak rezervuar Th ile soğuk rezervuar Tc arasında çalışan herhangi bir ısı motorunun mümkün olan maksimum verimliliği yalnızca sıcaklık oranlarına bağlıdır: η_c = 1 − Tc/Th.