المحركات الحرارية والمضخات الحرارية – كفاءة كارنو

ماذا تعرض

يمتص المحرك الحراري حرارة Q_h من مستودع ساخن، ويحوّل جزءًا منها إلى شغل W، ويطرد الباقي Q_c إلى مستودع بارد. لا تصل كفاءته η = W/Q_h أبدًا إلى 100 %، وهذه صيغة كلفن–بلانك للقانون الثاني. أفضل محرك ممكن بين درجتي الحرارة T_h وT_c (بالكلفن) هو محرك كارنو العكوس، وكفاءته η = 1 − T_c/T_h. وإذا عملت الدورة بالعكس صارت ثلاجة أو مضخة حرارية. يستخدم النموذج 0.040 mol من غاز مثالي وعمليات بطيئة عكوسة، ودورتا أوتو وديزل دورتا هواء قياسيتان.

طريقة الاستخدام

اختر الدورة والغاز، واضبط درجة حرارة المستودع الساخن T_h ودرجة حرارة المستودع البارد T_c، ثم راقب الغاز وهو يدور على مخطط p–V. اضغط تسجيل الدورة لإضافة الدورة الحالية إلى الجدول والرسم البياني، وكرّر ذلك بدرجات حرارة أخرى. زِد الفقد لترى محركًا حقيقيًا. افتح تبويب ثلاجة / مضخة حرارية لترى معامل الأداء، ثم افتح مهام للتحقق الذاتي.

المعاملات القابلة للتغيير

• الوضع محرك حراري, ثلاجة / مضخة حرارية
• الدورة كارنو, أوتو (محرك البنزين), ديزل
• درجة حرارة المستودع الساخن T_h 250–2500 K
• درجة حرارة المستودع البارد T_c 200–600 K
• نسبة التمدد المتساوي الحرارة (كارنو) 1.5–5
• نسبة الانضغاط (أوتو، ديزل) 2–25
• الغاز هواء, غاز أحادي الذرة
• الفقد (احتكاك، تسرب حراري) 0–40 %

أسئلة للاستكشاف

1. لماذا لا يمكن لأي محرك يعمل بين 600 K و300 K أن تتجاوز كفاءته 50 %؟
2. كيف تتغير كفاءة محرك أوتو عندما تزداد نسبة الانضغاط r؟
3. لماذا تعمل المضخة الحرارية أفضل عندما يكون الهواء الخارجي أبرد قليلًا فقط من الغرفة؟