Цикл Стірлінга: ізотермічні такти з регенерацією
1 · Прогноз
Цикл Стірлінга використовує 2 ізотермічні та 2 ізохоричні такти, без адіабатичних узагалі. Його ККД може принципово зрівнятися із карнівським, якщо досконалий «регенератор» рециклує теплоту між ізохоричними тактами. Без ідеального регенератора чи поступається простий виміряний ККД межі Карно?
- Так — без регенератора сирий ККД цього циклу нижчий за межу Карно для тих самих температур резервуарів.
- ККД точно дорівнює межі Карно незалежно від регенерації.
- ККД перевищує межу Карно.
2 · Установка
- Відкрийте пресет циклу Стірлінга та натисніть «Скинути». 1 моль аргону циклічно працює між 600 K і 300 K, використовуючи лише ізотермічні та ізохоричні такти.
- Увімкніть показ роботи за такт та показ ККД циклу.
- 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 (m³) | Робота газу за цей такт (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Накидайте P-V-діаграму всіх 4 тактів, позначивши 2 ізотермічні (криві) та 2 ізохоричні (вертикальні) ділянки.
4 · Аналіз
- Підтвердьте, що такти 2 і 4 (ізохоричні) показують W = 0. Підсумуйте роботу всіх 4 тактів для чистої роботи циклу та порівняйте показ ККД циклу з межею Карно η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- Сирий ККД цього циклу (без ідеального регенератора, що відновлює теплоту ізохоричних тактів) лишається нижче 0.5. Поясніть, використовуючи перший закон, чому теплота, скинута під час ізохоричного охолодження, — це енергія, яку проста машина не відновлює.
5 · Поглиблення
- Справжній двигун Стірлінга використовує регенератор — сітку, що запасає теплоту, виділену під час ізохоричного охолодження, і повертає її під час ізохоричного нагрівання. Поясніть, чому досконалий регенератор дозволив би цьому циклу наблизитися до ККД Карно навіть без адіабатичних тактів.
- Двигуни Стірлінга цінують за здатність працювати від будь-якого зовнішнього джерела теплоти (сонце, відпрацьоване тепло, навіть різниці температур в космосі), а не лише від внутрішнього згоряння. Чому машина замкненого циклу із зовнішнім нагріванням може бути привабливою для таких застосувань?
Фізика цього експерименту
Межа Карно для ККД циклу
Жоден цикл, що працює між температурами Tc і Th, — включно зі Стірлінгом — не може перевищити ККД Карно η_c = 1 − Tc/Th. Справжній (нерегенерований) цикл Стірлінга не досягає цієї межі, бо скидає невідновлену теплоту під час ізохоричного охолодження.