Συγκρίνουμε την «ποιότητα» της ενέργειας

Διαθέτουμε ποσότητα ενέργειας E= 200J και θέλουμε από αυτή να παραχθεί μηχανικό έργο. (Υπενθυμίζεται ότι το έργο δεν είναι μορφή ενέργειας, αλλά τρόπος μεταφοράς ενέργειας από ένα σύστημα σε άλλο ή μετατροπής ενέργειας από μια μορφή σε μια άλλη.)

1. Περίπτωση Α – Μηχανική (δυναμική) ενέργεια

Ένα σώμα μάζας m βρίσκεται σε ύψος h πάνω από το έδαφος. Η δυναμική του ενέργεια ως προς το έδαφος είναι E = 200J. Το σώμα αφήνεται να κινηθεί και ταυτόχρονα παράγεται έργο από το βάρος. Τη στιγμή που φτάνει στο έδαφος.

α. Να υπολογίσετε το μέγιστο έργο W, που μπορεί να παραχθεί από αυτή τη διαδικασία.

β. Να βρείτε το συντελεστή απόδοσης e αυτής της μετατροπής ενέργειας.

2. Περίπτωση Β – Θερμότητα

Τώρα η ίδια ποσότητα ενέργειας διατίθεται ως θερμότητα Q = 200J σε μια θερμική μηχανή, με σκοπό την παραγωγή έργου.

Β1. Ιδανική μηχανή Carnot

Μια ιδανική μηχανή Carnot λειτουργεί ανάμεσα σε θερμή δεξαμενή θερμοκρασίας T_h = 600K και ψυχρή δεξαμενή θερμοκρασίας T_c = 300K. Η μηχανή απορροφά Q_h = 200J θερμότητα από τη θερμή δεξαμενή.

α. Να υπολογίσετε τη θεωρητικά μέγιστη απόδοση e₁ της μηχανής Carnot.

β. Να βρείτε το μέγιστο έργο W₁, που μπορεί να παραχθεί σε κάθε κύκλο.

γ. Να υπολογίσετε τη θερμότητα |Q_c1| που αποβάλλεται στην ψυχρή δεξαμενή.

Β2. Πραγματική μηχανή Otto

Μια πραγματική μηχανή Otto (τετράχρονος κινητήρας βενζίνης), που χρησιμοποιεί την ίδια θερμότητα έχει συντελεστή απόδοσης e₂ = 0,3.

α. Να υπολογίσετε το έργο W₂, που παράγεται σε κάθε κύκλο.

β. Να βρείτε τη θερμότητα που αποβάλλεται στο περιβάλλον.

3. Συγκριτικά ερωτήματα – Σύνδεση με τον 2ο νόμο

α. Να συγκρίνετε τα έργα W, W₁, W₂.

β. Να σχολιάσετε ποια μορφή ενέργειας (μηχανική ή θερμική) μπορεί να μετατραπεί πληρέστερα σε έργο και γιατί.

γ. Να εξηγήσετε πώς τα παραπάνω αποτελέσματα εκφράζουν τον 2ο νόμο της Θερμοδυναμικής.

Απάντηση 

Απάντηση