Зворотний цикл Карно: холодильник
1 · Прогноз
Запуск циклу Карно назад перетворює машину на холодильник — чиста робота йде ВХІД, а не виходить. Чи все ще газ поглинає теплоту з холодного резервуара, як справжній холодильник, що витягує тепло з нутра?
- Ні — реверсування циклу також реверсує те, який резервуар поглинає теплоту.
- Зворотний цикл не обмінюється теплотою з жодним резервуаром.
- Так — зворотний цикл поглинає теплоту з холодного боку та скидає більше теплоти в гарячий, використовуючи для цього вхідну роботу.
2 · Установка
- Відкрийте пресет холодильника Карно та натисніть «Скинути». Ті самі 4 такти, що й у циклі Карно, виконуються у зворотному порядку.
- Увімкніть показ роботи за такт та покази COP охолодження/нагрівання.
- Для кожного такту циклу (1–4) зчитайте цільовий об'єм такту та роботу, виконану газом протягом цього такту.
3 · Збір даних
| Номер такту | Цільовий об'єм такту V (L) | Робота газу за цей такт (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Накидайте P-V-діаграму, простеживши такти по порядку. Порівняйте напрям обходу (за чи проти годинникової стрілки) з діаграмою експерименту з циклом Карно.
4 · Аналіз
- Підсумуйте значення роботи 4 тактів — сума (чиста робота, виконана ГАЗОМ) має вийти від'ємною, тобто чисту роботу треба підводити ДО газу. Обчисліть COP охолодження = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 та COP нагрівання = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- Порівняйте порядок тактів тут із порядком у циклі Карно. Поясніть, як просте реверсування послідовності тих самих 4 тактів перевертає цикл із машини (чиста робота назовні) на холодильник (чиста робота всередину).
5 · Поглиблення
- COP охолодження 1.0 означає, що холодильник виносить 1 J теплоти з холодного простору на кожен 1 J підведеної роботи. COP нагрівання 2.0 (режим теплового насоса) означає, що він віддає 2 J теплоти теплому простору на 1 J роботи. Поясніть, чому COP_heat завжди рівно на 1 більший за COP_cool для тих самих резервуарів.
- На відміну від ККД машини (завжди ≤ 1), COP може перевищувати 1 — і це не порушення збереження енергії. Поясніть, чому COP > 1 можливо: додаткова енергія надходить з резервуара, що охолоджується, а не створюється з нічого.
Фізика цього експерименту
Холодильний коефіцієнт корисної дії
Холодильна продуктивність зворотного циклу Карно вимірюється як COP_cool = Tc/(Th − Tc): скільки теплоти виноситься з холодного простору на одиницю підведеної роботи. Менші різниці температур дають кращий (вищий) COP.