Цикл Карно: максимально можливий ККД машини

1 · Прогноз

Машина Карно проводить газ через 4 такти (ізотермічне розширення, адіабатичне розширення, ізотермічне стиснення, адіабатичне стиснення) назад до початкового стану. Чи змінюється внутрішня енергія газу за один повний цикл?

• Внутрішня енергія зростає за цикл, бо газ виконує чисту додатну роботу.
• Внутрішня енергія повертається до початкового значення — нульова чиста зміна за замкнений цикл.
• Внутрішня енергія спадає за цикл.

2 · Установка

1. Відкрийте пресет циклу Карно та натисніть «Скинути». 1 моль аргону (f = 3) циклічно працює між гарячим резервуаром 600 K і холодним 300 K.
2. Увімкніть показ роботи за тактом.
3. Для кожного такту циклу (1–4) зчитайте цільовий об'єм такту та роботу, виконану газом протягом цього такту.

3 · Збір даних

Накидайте P-V-діаграму для всіх 4 тактів, позначивши, які такти ізотермічні чи адіабатичні та чи виконує газ додатну чи від'ємну роботу.

4 · Аналіз

1. Додайте значення роботи 4 тактів. Порівняйте суму з nR(Th − Tc)·ln(2) (наближено, для об'ємних відношень цього циклу) та порівняйте ККД циклу η = W_net/Qin із значенням Карно η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
2. Два такти мають додатну роботу (розширення) і два від'ємну (стиснення). Поясніть, чому *чиста* робота за повний цикл усе ще додатна, роблячи це тепловою машиною, а не циклом «нічого-не-робить».

5 · Поглиблення

1. Жодна справжня машина, що працює між тими самими температурами резервуарів, не може побити ККД Карно. Поясніть, використовуючи η_c = 1 − Tc/Th, чому машина могла б досягти 100% ККД лише при Tc = 0 K — фізично недосяжному.
2. Цикл Карно побудований виключно зі зворотних кроків (ізотермічних та адіабатичних, обох ідеалізованих як нескінченно повільні). Поясніть, чому справжня машина, що неминуче має тертя та теплопередачу скінченної швидкості, ніколи не може цілком досягти цього ідеального ККД.

Фізика цього експерименту

← Назад до експерименту