Icon up Overzicht

Exaktueel: Venuslander

Onderwerp: Gas en vloeistof, Thermische processen

vwo, thermodynamica, gevorderd, 30 min

Stirlingcyclus koelt Venuslander

Bron: De Ingenieur, november 2007

Vragen en opdrachten bij dit artikel

Lees het artikel.
De buitendruk op Venus is ongeveer 92x zo groot als de standaarddruk op aarde.

a) Wat is op Venus het volume van één mol ideaal gas?

De stirlingcyclus is een zogeheten kringproces, waarin men een bepaalde hoeveelheid gas afwisselend samenperst en laat uitzetten, op verschillende temperaturen. In deze opgave gaan we de stirlingcyclus nader bekijken. Het p,V-diagram voor de koeler is geschetst in figuur 1.

figuur 1, p,V-diagram voor de koeler

De lijnstukken AB en CD horen bij isothermen. De ene correspondeert met de omgevingstemperatuur van Venus, de andere met de gewenste temperatuur van de elektronica.

b) Welke isotherm hoort bij de omgevingstemperatuur van Venus? Leg je antwoord uit.

Bij het doorlopen van de twee isothermen wordt warmte onttrokken, of juist afgegeven aan de omgeving. Het teken is afhankelijk van de richting waarin het kringproces wordt doorlopen. Bij het doorlopen van de isochoren wordt het gas bij constant volume opgewarmd en afgekoeld. We nemen aan dat alle warmte die bij het isochoor afkoelen vrijkomt, bij het ischoor opwarmen weer kan worden gebruikt. De isochoren leveren dus geen bijdrage aan de koelende werking!

c) Leg uit dat op lijnstuk AB warmte aan de omgeving wordt afgegeven.

Om de koeler te kunnen gebruiken, moet er (elektrische) arbeid worden verricht.

d) Leg dat uit aan de hand van de tweede hoofdwet van de warmteleer.

In het artikel wordt gezegd dat de elektronica het normaal gesproken twee uur zou uithouden op Venus. De cyclus heeft een koelend vermogen van 105,7 watt. We nemen aan dat de elektronica met constante snelheid opwarmt en bij 300 graden Celsius ineens kapot gaat.

e) Laat zien dat er kennelijk 7,6.105 joule nodig is om de elektronica kapot te laten gaan.

f) Wat is de warmtecapaciteit van de elektronica?

Voor het genereren van het elektrische vermogen voor de koeler kan een motor worden gebruikt, die eveneens op basis van een stirlingcyclus werkt. Deze motor maakt gebruik van de omgevingstemperatuur van Venus aan de ene kant, en een heet oppervlak dat verwarmd wordt door radioactief verval aan de andere kant.

g) Hoe ziet de cyclus in figuur 1 er uit voor een motor? Geef een kwalitatief antwoord, je hoeft dus geen berekeningen uit te voeren!

Bron: G.A. Landis en K.C. Mellott, ''Venus surface power and cooling systems,'' Acta Astronautica, vol. 61, no. 11-12, pp. 995-1001, december 2007.