Chu trình Carnot: Hiệu suất động cơ tối đa có thể
1 · Dự đoán
Một động cơ Carnot mang khí qua 4 chân (dãn nở đẳng nhiệt, giãn nở đoạn nhiệt, nén đẳng nhiệt, nén đoạn nhiệt) trở về trạng thái ban đầu. Nội năng của khí có thay đổi trong một chu kỳ không?
- Nội năng tăng dần trong chu trình vì khí thực hiện công dương.
- Năng lượng bên trong trở về giá trị ban đầu - thay đổi ròng bằng không trong một chu trình khép kín.
- Năng lượng bên trong giảm dần trong chu kỳ.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước chu trình carnot và nhấn Reset. 1 mol argon (f = 3) luân chuyển giữa bình nóng 600 K và bình chứa lạnh 300 K.
- Bật tính năng đọc công việc trên mỗi chân.
- Đối với mỗi chặng của chu kỳ (1 đến 4), hãy đọc thể tích mục tiêu của chân và công do khí thực hiện trong chặng đó.
3 · Thu thập dữ liệu
| Số chân | Khối lượng mục tiêu của chân V (L) | Công việc do khí thực hiện ở chân này (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Vẽ biểu đồ P-V cho cả 4 chân, đánh dấu xem mỗi chân là đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt và khí sinh công dương hay âm.
4 · Phân tích
- Cộng giá trị công của chân 4 của bạn. So sánh tổng với nR(Th − Tc)·ln(2) (xấp xỉ, đối với tỷ lệ thể tích của chu trình này) và so sánh hiệu suất của chu trình η = W_net/Qin với giá trị Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300 /600 = 0.5 .
- Hai chân có công dương (giãn nở) và hai chân có công âm (nén). Giải thích tại sao công *net* trong toàn bộ chu trình vẫn dương, khiến đây trở thành một động cơ nhiệt chứ không phải một vòng lặp không làm gì cả.
5 · Gia hạn
- Không có động cơ thực sự nào hoạt động giữa hai nhiệt độ hồ chứa giống nhau có thể đánh bại được hiệu suất Carnot. Giải thích, bằng cách sử dụng η_c = 1 − Tc/Th, tại sao một động cơ chỉ có thể đạt hiệu suất 100% nếu Tc = 0 K — không thể đạt được về mặt vật lý.
- Chu trình Carnot được xây dựng hoàn toàn từ các bước thuận nghịch (đẳng nhiệt và đoạn nhiệt, cả hai đều được lý tưởng hóa là cực kỳ chậm). Giải thích tại sao một động cơ thực, chắc chắn có ma sát và truyền nhiệt ở tốc độ hữu hạn, không bao giờ có thể đạt được hiệu suất lý tưởng này.
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Hiệu quả của Carnot
Hiệu suất tối đa có thể có của bất kỳ động cơ nhiệt nào hoạt động giữa nguồn nóng Th và nguồn lạnh Tc chỉ phụ thuộc vào tỷ số nhiệt độ của chúng: η_c = 1 − Tc/Th.