Chu trình Stirling: Các chân đẳng nhiệt có sự tái sinh
1 · Dự đoán
Chu trình Stirling sử dụng 2 chân đẳng nhiệt và 2 chân đẳng nhiệt, không có chân đoạn nhiệt nào cả. Về nguyên tắc, hiệu suất của nó có thể phù hợp với giá trị Carnot nếu một "máy tái sinh" hoàn hảo tái chế nhiệt giữa các chân đẳng tích. Nếu không có máy tái sinh lý tưởng, hiệu suất chu trình đơn giản mà bạn đo được có thấp hơn giới hạn Carnot không?
- Có — nếu không có thiết bị tái sinh, hiệu suất thô của chu trình này sẽ thấp hơn giới hạn Carnot đối với cùng hai nhiệt độ hồ chứa.
- Hiệu suất chính xác bằng giới hạn Carnot bất kể tái sinh.
- Hiệu suất vượt quá giới hạn Carnot.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước chu trình khuấy và nhấn Reset. 1 mol chu trình argon trong khoảng từ 600 K đến 300 K chỉ sử dụng chân đẳng nhiệt và đẳng nhiệt.
- Bật tính năng đọc công việc trên mỗi chân và đọc hiệu suất chu trình.
- 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 (m³) | Công việc do khí thực hiện ở chân này (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Vẽ sơ đồ P-V cho cả 4 chân, đánh dấu 2 đoạn đẳng nhiệt (cong) và 2 đoạn đẳng nhiệt (dọc).
4 · Phân tích
- Xác nhận chân 2 và 4 (isochoric) hiển thị W = 0 . Tính tổng tất cả công việc của các chân 4 cho công việc chu trình ròng và so sánh số đọc hiệu suất của chu trình với giới hạn Carnot η_c = 1 − 300 /600 = 0.5 .
- Hiệu suất thô của chu trình này (không có bộ tái tạo lý tưởng phục hồi nhiệt của các chân đẳng tích) vẫn ở mức dưới 0,5. Giải thích, sử dụng định luật thứ nhất, tại sao nhiệt toả ra trong quá trình làm mát đẳng tích biểu thị năng lượng mà động cơ đơn giản không phục hồi được.
5 · Gia hạn
- Động cơ Stirling thực sự sử dụng bộ tái sinh - một lưới lưu trữ nhiệt thoát ra trong quá trình làm mát đẳng tích và trả lại nhiệt đó trong quá trình gia nhiệt đẳng tích. Giải thích tại sao một máy tái sinh hoàn hảo sẽ cho chu trình này đạt tới hiệu suất Carnot ngay cả khi không có chân đoạn nhiệt.
- Động cơ Stirling được đánh giá cao khi chạy bằng bất kỳ nguồn nhiệt bên ngoài nào (mặt trời, nhiệt thải, thậm chí chênh lệch nhiệt độ trong không gian) thay vì yêu cầu đốt trong. Tại sao động cơ chu trình kín có hệ thống sưởi bên ngoài lại hấp dẫn đối với những ứng dụng đó?
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Carnot bị ràng buộc về hiệu quả chu kỳ
Không có chu trình nào hoạt động giữa nhiệt độ Tc và Th — kể cả Stirling — có thể vượt quá hiệu suất Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Một chu trình Stirling thực (không được tái sinh) không đạt đến giới hạn này vì nó thải ra nhiệt chưa thu hồi trong quá trình làm mát đẳng tích của nó.