IPhO 1974 · Theory problem 3
Engine using a gas source and semipermeable membranes
A scientific expedition stayed on an uninhabited island. The members of the expedition had had some sources of energy, but after some time these sources exhausted. Then they decided to construct an alternative energy source. Unfortunately, the island was very quiet: there were no winds, clouds uniformly covered the sky, the air pressure was constant and the temperatures of air and water in the sea were the same during day and night. Fortunately, they found a source of chemically neutral gas outgoing very slowly from a cavity. The pressure and temperature of the gas are exactly the same as the pressure and temperature of the atmosphere.
The expedition had, however, certain membranes in its equipment. One of them was ideally transparent for gas and ideally non-transparent for air. Another one had an opposite property: it was ideally transparent for air and ideally non-transparent for gas. The members of the expedition had materials and tools that allowed them to make different mechanical devices such as cylinders with pistons, valves etc. They decided to construct an engine by using the gas from the cavity.
Show that there is no theoretical limit on the power of an ideal engine that uses the gas and the membranes considered above.
Official English text of the problem.
Answers
- Problem 3: Let \(\dot n_g>0\) be the molar flow of source gas, \(T_0\) the ambient temperature, and \(r\) the number of moles of air used per mole of gas. An ideal membrane engine can deliver \[ \boxed{\mathcal P(r)=\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right].} \] Since \(\mathcal P(r)\to\infty\) as \(r\to\infty\), there is no finite theoretical upper bound on its power, even at a fixed, small gas flow.
Solution
Denote the common atmospheric and source pressure by \(p_0\), and their temperature by \(T_0\). Use the ideal-gas approximation, neglect friction, and allow isothermal operation through heat exchange with the surroundings. The available resource is the initially separate state of the source gas and atmospheric air: the membranes allow their mixing to produce mechanical work.
Consider a charge consisting of \(n\) moles of source gas and \(rn\) moles of air, initially at \(p_0,T_0\). Their volumes are \[ V_g=\frac{nRT_0}{p_0},\qquad V_a=\frac{rnRT_0}{p_0}=rV_g, \] where \(R\) is the universal gas constant.
Place these gases in a cylinder of fixed total volume \[ V=V_g+V_a, \] with source gas on the left and air on the right. Initially, two adjacent membrane pistons separate them:
- The left membrane passes source gas but blocks air.
- The right membrane passes air but blocks source gas.
Allow the left membrane to move toward the left end and the right membrane toward the right end, each driving a mechanical load. Between the membranes there is a mixture; outside them there is pure source gas on the left and pure air on the right. Ultimately, both components occupy the entire cylinder.
The essential property is that a permeating component has equal partial pressures on the two sides of its membrane in reversible operation. Thus, across the air-permeable piston, the forces due to air cancel. Only the source-gas partial pressure drives that piston. If the volume accessible to the source gas is \(v_g\), its work is \[ dW_g=p_g\,dv_g=\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g. \] Similarly, the gas-permeable piston extracts work from the expanding air: \[ dW_a=p_a\,dv_a=\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a. \]
Consequently, the total work obtained in reversible isothermal mixing is \[ \begin{aligned} W &=\int_{V_g}^{V}\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g +\int_{V_a}^{V}\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a\\ &=nRT_0\ln\frac{V}{V_g} +rnRT_0\ln\frac{V}{V_a}\\ &=\boxed{nRT_0\left[ \ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right) \right]}. \end{aligned} \]
At the end, the mixture has total pressure \[ p_f=\frac{(1+r)nRT_0}{V}=p_0. \] It can therefore be exhausted and replaced with fresh gas and air at the common pressure \(p_0\). Ordinary pistons and bypass valves can perform this exchange and reset the membranes. Since the incoming and outgoing total volumes are equal, their pressure-volume work cancels: \[ W_{\text{intake/exhaust}}=p_0(V_g+V_a)-p_0V=0. \] The spent mixture is discharged, so the engine does not need to separate it again. Thus \(W\) is useful work per charge of \(n\) moles of source gas.
For a steady gas supply \(\dot n_g\), operating successive or parallel cylinders gives the ideal mean power \[ \mathcal P(r)=\frac{\dot n_g}{n}W =\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right]. \] Equivalently, if \(q_g\) is the source’s volume flow measured at \(p_0,T_0\), then \[ \mathcal P(r)=p_0q_g \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right], \] with \(p_0q_g\) measured in watts.
Now increase the amount of air used per mole of source gas. Since \[ \ln(1+r)\longrightarrow\infty, \qquad r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\longrightarrow1, \] we obtain \[ \mathcal P(r)=\dot n_gRT_0\,[\ln r+1+o(1)] \longrightarrow\infty. \] Hence even an arbitrarily small, fixed, positive gas flow imposes no finite theoretical power ceiling.
This conclusion allows unrestricted apparatus size, air throughput, membrane area and heat exchange. Slow, nearly reversible strokes can be operated in sufficiently many parallel cylinders to process the prescribed gas flow. Increasing the power requires an increasingly large amount of fresh air per mole of gas.
Finally, this respects the second law. For ideal gases at unchanged temperature, the mixing process leaves internal energy unchanged, so the absorbed heat equals the work: \[ Q=W. \] The entropy increase of the gases is \[ \Delta S_{\mathrm{mix}} =nR\ln\frac{V}{V_g}+rnR\ln\frac{V}{V_a} =\frac{W}{T_0}, \] which balances the heat reservoir’s entropy decrease in reversible operation. The engine consumes the initial separation of gas and air. The divergence assumes access to arbitrarily much fresh air; finite reservoirs and finite equipment impose practical limits.
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1974 · Theorieaufgabe 3
Maschine mit einer Gasquelle und semipermeablen Membranen
Eine wissenschaftliche Expedition hielt sich auf einer unbewohnten Insel auf. Die Expeditionsteilnehmer hatten über einige Energiequellen verfügt, doch nach einiger Zeit waren diese erschöpft. Daraufhin beschlossen sie, eine alternative Energiequelle zu bauen. Leider war es auf der Insel sehr ruhig: Es wehte kein Wind, Wolken bedeckten den Himmel gleichmäßig, der Luftdruck war konstant, und die Temperaturen der Luft und des Meerwassers waren bei Tag und Nacht gleich. Glücklicherweise fanden sie eine Quelle eines chemisch neutralen Gases, das sehr langsam aus einem Hohlraum austrat. Druck und Temperatur des Gases stimmen genau mit Druck und Temperatur der Atmosphäre überein.
Die Expedition hatte jedoch bestimmte Membranen in ihrer Ausrüstung. Eine davon war für das Gas vollkommen durchlässig und für Luft vollkommen undurchlässig. Eine andere hatte die entgegengesetzte Eigenschaft: Sie war für Luft vollkommen durchlässig und für das Gas vollkommen undurchlässig. Die Expeditionsteilnehmer verfügten über Materialien und Werkzeuge, mit denen sie verschiedene mechanische Vorrichtungen wie Zylinder mit Kolben, Ventile usw. herstellen konnten. Sie beschlossen, eine Maschine zu bauen, die das Gas aus dem Hohlraum nutzt.
Zeigen Sie, dass es keine theoretische Grenze für die Leistung einer idealen Maschine gibt, die das Gas und die oben beschriebenen Membranen nutzt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Aufgabe 3: Es seien \(\dot n_g>0\) der Stoffmengenstrom des Quellgases, \(T_0\) die Umgebungstemperatur und \(r\) die Anzahl der pro Mol Gas verwendeten Mole Luft. Eine ideale Membranmaschine kann die Leistung \[ \boxed{\mathcal P(r)=\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right].} \] abgeben. Da \(\mathcal P(r)\to\infty\) für \(r\to\infty\) gilt, gibt es keine endliche theoretische Obergrenze für ihre Leistung, selbst bei einem festen, kleinen Gasstrom.
Lösung
Wir bezeichnen den gemeinsamen Druck der Atmosphäre und der Gasquelle mit \(p_0\) und ihre Temperatur mit \(T_0\). Wir verwenden die Näherung idealer Gase, vernachlässigen die Reibung und ermöglichen durch Wärmeaustausch mit der Umgebung einen isothermen Betrieb. Die verfügbare Ressource ist der anfänglich getrennte Zustand von Quellgas und atmosphärischer Luft: Die Membranen ermöglichen es, bei ihrer Mischung mechanische Arbeit zu gewinnen.
Betrachten wir eine Füllung aus \(n\) Mol Quellgas und \(rn\) Mol Luft, die sich anfangs bei \(p_0,T_0\) befinden. Ihre Volumina sind \[ V_g=\frac{nRT_0}{p_0},\qquad V_a=\frac{rnRT_0}{p_0}=rV_g, \] wobei \(R\) die universelle Gaskonstante ist.
Wir bringen diese Gase in einen Zylinder mit dem festen Gesamtvolumen \[ V=V_g+V_a, \] wobei sich das Quellgas links und die Luft rechts befindet. Anfangs werden sie durch zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Membrankolben getrennt:
- Die linke Membran lässt Quellgas durch, hält aber Luft zurück.
- Die rechte Membran lässt Luft durch, hält aber Quellgas zurück.
Wir lassen die linke Membran zum linken Ende und die rechte Membran zum rechten Ende wandern, wobei jede eine mechanische Last antreibt. Zwischen den Membranen befindet sich ein Gemisch; außerhalb befindet sich links reines Quellgas und rechts reine Luft. Schließlich nehmen beide Komponenten den gesamten Zylinder ein.
Die entscheidende Eigenschaft besteht darin, dass eine durchtretende Komponente im reversiblen Betrieb auf beiden Seiten ihrer Membran den gleichen Partialdruck hat. Daher heben sich am luftdurchlässigen Kolben die von der Luft ausgeübten Kräfte auf. Nur der Partialdruck des Quellgases treibt diesen Kolben an. Ist das für das Quellgas zugängliche Volumen \(v_g\), so beträgt die von ihm verrichtete Arbeit \[ dW_g=p_g\,dv_g=\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g. \] Entsprechend gewinnt der gasdurchlässige Kolben Arbeit aus der expandierenden Luft: \[ dW_a=p_a\,dv_a=\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a. \]
Folglich beträgt die gesamte bei reversibler isothermer Mischung gewonnene Arbeit \[ \begin{aligned} W &=\int_{V_g}^{V}\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g +\int_{V_a}^{V}\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a\\ &=nRT_0\ln\frac{V}{V_g} +rnRT_0\ln\frac{V}{V_a}\\ &=\boxed{nRT_0\left[ \ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right) \right]}. \end{aligned} \]
Am Ende hat das Gemisch den Gesamtdruck \[ p_f=\frac{(1+r)nRT_0}{V}=p_0. \] Es kann daher ausgestoßen und durch frisches Gas und frische Luft beim gemeinsamen Druck \(p_0\) ersetzt werden. Gewöhnliche Kolben und Bypassventile können diesen Austausch durchführen und die Membranen in ihre Ausgangslage zurückbringen. Da die einströmenden und ausströmenden Gesamtvolumina gleich sind, hebt sich ihre Volumenarbeit auf: \[ W_{\text{Ansaugen/Ausstoßen}}=p_0(V_g+V_a)-p_0V=0. \] Das verbrauchte Gemisch wird abgeführt, sodass die Maschine es nicht wieder trennen muss. Somit ist \(W\) die nutzbare Arbeit pro Füllung mit \(n\) Mol Quellgas.
Bei einer stetigen Gaszufuhr \(\dot n_g\) ergibt der Betrieb nacheinander oder parallel arbeitender Zylinder die ideale mittlere Leistung \[ \mathcal P(r)=\frac{\dot n_g}{n}W =\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right]. \] Ist \(q_g\) der bei \(p_0,T_0\) gemessene Volumenstrom der Quelle, so gilt gleichwertig \[ \mathcal P(r)=p_0q_g \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right], \] wobei \(p_0q_g\) in Watt gemessen wird.
Nun erhöhen wir die pro Mol Quellgas verwendete Luftmenge. Da \[ \ln(1+r)\longrightarrow\infty, \qquad r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\longrightarrow1, \] erhalten wir \[ \mathcal P(r)=\dot n_gRT_0\,[\ln r+1+o(1)] \longrightarrow\infty. \] Somit setzt selbst ein beliebig kleiner, fester, positiver Gasstrom der Leistung keine endliche theoretische Obergrenze.
Diese Schlussfolgerung setzt voraus, dass die Größe der Apparatur, der Luftdurchsatz, die Membranfläche und der Wärmeaustausch unbeschränkt sind. Langsame, nahezu reversible Kolbenhübe können in hinreichend vielen parallelen Zylindern ausgeführt werden, um den vorgegebenen Gasstrom zu verarbeiten. Eine Erhöhung der Leistung erfordert eine immer größere Menge an frischer Luft pro Mol Gas.
Schließlich steht dies im Einklang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Bei idealen Gasen bleibt die innere Energie durch den Mischvorgang bei unveränderter Temperatur unverändert, sodass die aufgenommene Wärme gleich der Arbeit ist: \[ Q=W. \] Die Entropiezunahme der Gase beträgt \[ \Delta S_{\mathrm{mix}} =nR\ln\frac{V}{V_g}+rnR\ln\frac{V}{V_a} =\frac{W}{T_0}, \] was im reversiblen Betrieb die Entropieabnahme des Wärmereservoirs ausgleicht. Die Maschine verbraucht die anfängliche Trennung von Gas und Luft. Die Divergenz setzt den Zugang zu beliebig viel frischer Luft voraus; endliche Reservoirs und endliche Anlagen setzen praktische Grenzen.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1974 · Teori sorusu 3
Bir gaz kaynağı ve yarı geçirgen zarlar kullanan motor
Bir bilimsel keşif ekibi, üzerinde insan yaşamayan bir adada konaklıyordu. Ekip üyelerinin bazı enerji kaynakları vardı, ancak bir süre sonra bu kaynaklar tükendi. Bunun üzerine alternatif bir enerji kaynağı oluşturmaya karar verdiler. Ne yazık ki adada hava çok durgundu: rüzgâr esmiyor, bulutlar gökyüzünü düzgün biçimde kaplıyor, hava basıncı sabit kalıyor ve havanın ve deniz suyunun sıcaklıkları gece gündüz aynı oluyordu. Neyse ki bir oyuktan çok yavaş çıkan, kimyasal olarak tepkimeye girmeyen bir gaz kaynağı buldular. Gazın basıncı ve sıcaklığı, atmosferin basıncı ve sıcaklığıyla tam olarak aynıdır.
Ancak keşif ekibinin donanımında bazı zarlar vardı. Bunlardan biri gazı kusursuz biçimde geçiriyor, havayı ise hiç geçirmiyordu. Bir diğeri bunun tam tersi özelliğe sahipti: havayı kusursuz biçimde geçiriyor, gazı ise hiç geçirmiyordu. Ekip üyelerinin elinde pistonlu silindirler, vanalar vb. çeşitli mekanik düzenekler yapmalarını sağlayacak malzemeler ve aletler vardı. Oyuktan çıkan gazı kullanarak bir motor yapmaya karar verdiler.
Yukarıda ele alınan gazı ve zarları kullanan ideal bir motorun gücünün teorik bir sınırı olmadığını gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Soru 3: Kaynak gazının molar debisi \(\dot n_g>0\), ortam sıcaklığı \(T_0\) ve bir mol gaz başına kullanılan havanın mol sayısı \(r\) olsun. İdeal bir zar motoru \[ \boxed{\mathcal P(r)=\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right].} \] gücünü üretebilir. \(r\to\infty\) iken \(\mathcal P(r)\to\infty\) olduğundan, gaz debisi sabit ve küçük olsa bile gücünün sonlu bir teorik üst sınırı yoktur.
Çözüm
Atmosferin ve kaynağın ortak basıncını \(p_0\), sıcaklıklarını ise \(T_0\) ile gösterelim. İdeal gaz yaklaşımını kullanalım, sürtünmeyi ihmal edelim ve çevreyle ısı alışverişi yoluyla izotermal çalışmaya izin verelim. Kullanılabilir kaynak, kaynak gazı ile atmosfer havasının başlangıçta birbirinden ayrı olmasıdır: zarlar, bunların karışmasının mekanik iş üretmesini sağlar.
Başlangıçta \(p_0,T_0\) koşullarında bulunan \(n\) mol kaynak gazı ve \(rn\) mol havadan oluşan bir dolumu ele alalım. Bunların hacimleri \[ V_g=\frac{nRT_0}{p_0},\qquad V_a=\frac{rnRT_0}{p_0}=rV_g, \] olup burada \(R\) evrensel gaz sabitidir.
Bu gazları, kaynak gazı solda ve hava sağda olacak şekilde, toplam hacmi sabit ve \[ V=V_g+V_a, \] olan bir silindire yerleştirelim. Başlangıçta, yan yana duran iki zar piston bunları birbirinden ayırır:
- Soldaki zar kaynak gazını geçirir, ancak havayı geçirmez.
- Sağdaki zar havayı geçirir, ancak kaynak gazını geçirmez.
Her biri mekanik bir yükü hareket ettirecek şekilde, soldaki zarın sol uca, sağdaki zarın ise sağ uca doğru hareket etmesine izin verelim. Zarların arasında bir karışım bulunur; zarların dışında ise solda saf kaynak gazı, sağda saf hava vardır. Sonunda her iki bileşen de silindirin tamamını kaplar.
Temel özellik, tersinir çalışma sırasında zardan geçebilen bir bileşenin, zarının iki tarafındaki kısmi basınçlarının eşit olmasıdır. Dolayısıyla, havayı geçiren pistonun iki tarafında havadan kaynaklanan kuvvetler birbirini dengeler. Bu pistonu yalnızca kaynak gazının kısmi basıncı hareket ettirir. Kaynak gazının erişebildiği hacim \(v_g\) ise yaptığı iş \[ dW_g=p_g\,dv_g=\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g. \] olur. Benzer şekilde, gazı geçiren piston genleşen havadan iş elde eder: \[ dW_a=p_a\,dv_a=\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a. \]
Buna göre, tersinir izotermal karışma sırasında elde edilen toplam iş \[ \begin{aligned} W &=\int_{V_g}^{V}\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g +\int_{V_a}^{V}\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a\\ &=nRT_0\ln\frac{V}{V_g} +rnRT_0\ln\frac{V}{V_a}\\ &=\boxed{nRT_0\left[ \ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right) \right]}. \end{aligned} \] olur.
Son durumda karışımın toplam basıncı \[ p_f=\frac{(1+r)nRT_0}{V}=p_0. \] olur. Bu nedenle karışım dışarı atılabilir ve yerine ortak \(p_0\) basıncında taze gaz ve hava alınabilir. Sıradan pistonlar ve baypas vanaları bu değişimi gerçekleştirebilir ve zarları başlangıç konumlarına döndürebilir. İçeri giren ve dışarı çıkan toplam hacimler eşit olduğundan, bunların basınç-hacim işleri birbirini götürür: \[ W_{\text{emme/egzoz}}=p_0(V_g+V_a)-p_0V=0. \] Kullanılmış karışım dışarı atıldığı için motorun onu yeniden ayırması gerekmez. Böylece \(W\), \(n\) mol kaynak gazı içeren her dolum başına elde edilen yararlı iştir.
\(\dot n_g\) sabit gaz debisi için, silindirlerin art arda veya paralel olarak çalıştırılması ideal ortalama gücü verir: \[ \mathcal P(r)=\frac{\dot n_g}{n}W =\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right]. \] Eşdeğer olarak, \(q_g\) kaynağın \(p_0,T_0\) koşullarında ölçülen hacimsel debisi ise \[ \mathcal P(r)=p_0q_g \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right], \] olur; burada \(p_0q_g\) watt cinsinden ölçülür.
Şimdi bir mol kaynak gazı başına kullanılan hava miktarını artıralım. \[ \ln(1+r)\longrightarrow\infty, \qquad r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\longrightarrow1, \] olduğundan, \[ \mathcal P(r)=\dot n_gRT_0\,[\ln r+1+o(1)] \longrightarrow\infty. \] sonucunu elde ederiz. Dolayısıyla, istenildiği kadar küçük, sabit ve pozitif bir gaz debisi bile sonlu bir teorik güç üst sınırı getirmez.
Bu sonuç, düzenek boyutunun, hava debisinin, zar alanının ve ısı alışverişinin sınırsız olmasına izin verir. Belirlenen gaz debisini işleyebilmek için yeterince çok sayıda paralel silindirde yavaş, tersinire yakın piston hareketleri gerçekleştirilebilir. Gücü artırmak, bir mol gaz başına giderek daha büyük miktarda taze hava gerektirir.
Son olarak, bu durum ikinci yasayla uyumludur. Sıcaklığı değişmeyen ideal gazlarda karışma süreci iç enerjiyi değiştirmez; dolayısıyla alınan ısı yapılan işe eşittir: \[ Q=W. \] Gazların entropi artışı \[ \Delta S_{\mathrm{mix}} =nR\ln\frac{V}{V_g}+rnR\ln\frac{V}{V_a} =\frac{W}{T_0}, \] olup bu artış, tersinir çalışma sırasında ısı deposunun entropi azalmasını dengeler. Motor, gaz ile havanın başlangıçtaki ayrılığını tüketir. Gücün sonsuza gitmesi, istenildiği kadar çok taze havaya erişilebildiğini varsayar; sonlu depolar ve sonlu donanım pratik sınırlar getirir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1974 · Problema teórico 3
Motor que utiliza una fuente de gas y membranas semipermeables
Una expedición científica permaneció en una isla deshabitada. Los miembros de la expedición habían contado con algunas fuentes de energía, pero al cabo de un tiempo estas se agotaron. Entonces decidieron construir una fuente de energía alternativa. Por desgracia, en la isla reinaba una gran calma: no había viento, las nubes cubrían uniformemente el cielo, la presión atmosférica era constante y las temperaturas del aire y del agua del mar eran las mismas de día y de noche. Afortunadamente, encontraron una fuente de gas químicamente neutro que salía muy lentamente de una cavidad. La presión y la temperatura del gas son exactamente iguales a la presión y la temperatura de la atmósfera.
Sin embargo, la expedición disponía de ciertas membranas entre su equipo. Una de ellas era perfectamente permeable al gas y perfectamente impermeable al aire. Otra tenía la propiedad opuesta: era perfectamente permeable al aire y perfectamente impermeable al gas. Los miembros de la expedición disponían de materiales y herramientas que les permitían fabricar distintos dispositivos mecánicos, como cilindros con pistones, válvulas, etc. Decidieron construir un motor utilizando el gas de la cavidad.
Demuestre que no existe ningún límite teórico para la potencia de un motor ideal que utilice el gas y las membranas descritos anteriormente.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Problema 3: Sean \(\dot n_g>0\) el caudal molar del gas de la fuente, \(T_0\) la temperatura ambiente y \(r\) el número de moles de aire utilizados por mol de gas. Un motor ideal de membranas puede suministrar \[ \boxed{\mathcal P(r)=\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right].} \] Como \(\mathcal P(r)\to\infty\) cuando \(r\to\infty\), no existe ninguna cota superior teórica finita para su potencia, incluso con un caudal de gas pequeño y fijo.
Solución
Denotemos por \(p_0\) la presión común de la atmósfera y de la fuente, y por \(T_0\) su temperatura. Utilicemos la aproximación de gas ideal, despreciemos el rozamiento y permitamos un funcionamiento isotérmico mediante el intercambio de calor con el entorno. El recurso disponible es el estado inicialmente separado del gas de la fuente y del aire atmosférico: las membranas permiten que su mezcla produzca trabajo mecánico.
Consideremos una carga compuesta por \(n\) moles de gas de la fuente y \(rn\) moles de aire, inicialmente a \(p_0,T_0\). Sus volúmenes son \[ V_g=\frac{nRT_0}{p_0},\qquad V_a=\frac{rnRT_0}{p_0}=rV_g, \] donde \(R\) es la constante universal de los gases.
Coloquemos estos gases en un cilindro de volumen total fijo \[ V=V_g+V_a, \] con el gas de la fuente a la izquierda y el aire a la derecha. Inicialmente, dos pistones de membrana adyacentes los separan:
- La membrana izquierda deja pasar el gas de la fuente, pero bloquea el aire.
- La membrana derecha deja pasar el aire, pero bloquea el gas de la fuente.
Permitamos que la membrana izquierda se desplace hacia el extremo izquierdo y la membrana derecha hacia el extremo derecho, accionando cada una una carga mecánica. Entre las membranas hay una mezcla; fuera de ellas hay gas puro de la fuente a la izquierda y aire puro a la derecha. Finalmente, ambos componentes ocupan todo el cilindro.
La propiedad esencial es que un componente que atraviesa una membrana tiene la misma presión parcial a ambos lados de ella durante un funcionamiento reversible. Por tanto, las fuerzas debidas al aire a ambos lados del pistón permeable al aire se anulan. Solo la presión parcial del gas de la fuente impulsa ese pistón. Si el volumen accesible al gas de la fuente es \(v_g\), su trabajo es \[ dW_g=p_g\,dv_g=\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g. \] Del mismo modo, el pistón permeable al gas extrae trabajo del aire que se expande: \[ dW_a=p_a\,dv_a=\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a. \]
En consecuencia, el trabajo total obtenido en la mezcla isotérmica reversible es \[ \begin{aligned} W &=\int_{V_g}^{V}\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g +\int_{V_a}^{V}\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a\\ &=nRT_0\ln\frac{V}{V_g} +rnRT_0\ln\frac{V}{V_a}\\ &=\boxed{nRT_0\left[ \ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right) \right]}. \end{aligned} \]
Al final, la mezcla tiene una presión total \[ p_f=\frac{(1+r)nRT_0}{V}=p_0. \] Por tanto, puede expulsarse y sustituirse por gas y aire nuevos a la presión común \(p_0\). Unos pistones convencionales y unas válvulas de derivación pueden efectuar este intercambio y devolver las membranas a su posición inicial. Como los volúmenes totales de entrada y salida son iguales, sus trabajos de presión-volumen se anulan: \[ W_{\text{admisión/escape}}=p_0(V_g+V_a)-p_0V=0. \] La mezcla utilizada se descarga, por lo que el motor no necesita volver a separarla. Así, \(W\) es el trabajo útil por carga de \(n\) moles de gas de la fuente.
Para un suministro constante de gas \(\dot n_g\), el funcionamiento de cilindros sucesivos o en paralelo proporciona la potencia media ideal \[ \mathcal P(r)=\frac{\dot n_g}{n}W =\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right]. \] De manera equivalente, si \(q_g\) es el caudal volumétrico de la fuente medido a \(p_0,T_0\), entonces \[ \mathcal P(r)=p_0q_g \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right], \] con \(p_0q_g\) medido en vatios.
Aumentemos ahora la cantidad de aire utilizada por mol de gas de la fuente. Como \[ \ln(1+r)\longrightarrow\infty, \qquad r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\longrightarrow1, \] obtenemos \[ \mathcal P(r)=\dot n_gRT_0\,[\ln r+1+o(1)] \longrightarrow\infty. \] Por tanto, incluso un caudal de gas positivo, fijo y arbitrariamente pequeño no impone ningún límite superior teórico finito a la potencia.
Esta conclusión supone que no hay restricciones en el tamaño del aparato, el caudal de aire, el área de las membranas ni el intercambio de calor. Las carreras lentas y casi reversibles de los pistones pueden realizarse en un número suficientemente grande de cilindros en paralelo para procesar el caudal de gas prescrito. Aumentar la potencia requiere una cantidad cada vez mayor de aire nuevo por mol de gas.
Por último, esto respeta el segundo principio de la termodinámica. Para gases ideales a temperatura constante, el proceso de mezcla no modifica la energía interna, por lo que el calor absorbido es igual al trabajo: \[ Q=W. \] El aumento de entropía de los gases es \[ \Delta S_{\mathrm{mix}} =nR\ln\frac{V}{V_g}+rnR\ln\frac{V}{V_a} =\frac{W}{T_0}, \] lo que compensa la disminución de entropía del foco térmico durante el funcionamiento reversible. El motor consume la separación inicial entre el gas y el aire. La divergencia supone acceso a una cantidad arbitrariamente grande de aire nuevo; los depósitos finitos y los equipos de tamaño finito imponen límites prácticos.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1974 · 理论题 3
利用气源和半透膜的发动机
一支科学考察队驻留在一座无人岛上。队员们原本有一些能源,但过了一段时间,这些能源都耗尽了。于是,他们决定构建一种替代能源。不幸的是,岛上的环境十分平静:没有风,云层均匀地覆盖着天空,气压恒定,空气和海水的温度昼夜都相同。幸运的是,他们发现了一处气源,一种化学性质惰性的气体正从一个洞穴中非常缓慢地逸出。这种气体的压强和温度与大气的压强和温度完全相同。
不过,考察队的装备中有一些膜。其中一种能让这种气体完全透过,却完全不让空气透过。另一种具有相反的性质:能让空气完全透过,却完全不让这种气体透过。队员们拥有材料和工具,可以制作各种机械装置,例如带活塞的气缸、阀门等。他们决定利用洞穴中逸出的气体制造一台发动机。
证明:利用上述气体和膜的理想发动机,其功率在理论上没有上限。
题目译自官方英文原文。
答案
- 题目 3: 设 \(\dot n_g>0\) 为气源气体的摩尔流量,\(T_0\) 为环境温度,\(r\) 为每摩尔气体所使用的空气摩尔数。理想的膜式发动机可以输出功率 \[ \boxed{\mathcal P(r)=\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right].} \] 由于当 \(r\to\infty\) 时,\(\mathcal P(r)\to\infty\),因此即使气体流量固定且很小,其功率在理论上也不存在有限的上限。
解答
将大气和气源共同的压强记为 \(p_0\),温度记为 \(T_0\)。采用理想气体近似,忽略摩擦,并允许装置通过与周围环境交换热量而等温运行。可利用的资源是气源气体与大气中的空气最初彼此分离的状态:利用这些膜,可以使两者在混合过程中做机械功。
考虑一次充入的工质,其中包含 \(n\) 摩尔气源气体和 \(rn\) 摩尔空气,初始状态均为 \(p_0,T_0\)。它们的体积为 \[ V_g=\frac{nRT_0}{p_0},\qquad V_a=\frac{rnRT_0}{p_0}=rV_g, \] 其中 \(R\) 为普适气体常量。
将这些气体置于一个总容积固定为 \[ V=V_g+V_a, \] 的气缸中,气源气体在左侧,空气在右侧。起初,两个相邻的膜活塞将它们隔开:
- 左侧的膜允许气源气体透过,但阻挡空气。
- 右侧的膜允许空气透过,但阻挡气源气体。
让左侧的膜向气缸左端移动,右侧的膜向气缸右端移动,各自驱动一个机械负载。两膜之间是混合气体;两膜外侧,左边是纯气源气体,右边是纯空气。最终,两种组分都占据整个气缸。
关键性质是,在可逆运行过程中,能够透过某一膜的组分在该膜两侧的分压相等。因此,对于透空气活塞,空气在其两侧施加的力相互抵消。只有气源气体的分压驱动该活塞。如果气源气体能够占据的体积为 \(v_g\),则它所做的功为 \[ dW_g=p_g\,dv_g=\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g. \] 类似地,透气源气体活塞从膨胀的空气中获取功: \[ dW_a=p_a\,dv_a=\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a. \]
因此,可逆等温混合过程中得到的总功为 \[ \begin{aligned} W &=\int_{V_g}^{V}\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g +\int_{V_a}^{V}\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a\\ &=nRT_0\ln\frac{V}{V_g} +rnRT_0\ln\frac{V}{V_a}\\ &=\boxed{nRT_0\left[ \ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right) \right]}. \end{aligned} \]
最终,混合气体的总压强为 \[ p_f=\frac{(1+r)nRT_0}{V}=p_0. \] 因此,可以将其排出,并在共同压强 \(p_0\) 下充入新鲜的气源气体和空气。普通活塞和旁通阀可以完成这一更换过程,并使膜复位。由于流入和流出的总体积相等,它们的压强—体积功相互抵消: \[ W_{\text{进气/排气}}=p_0(V_g+V_a)-p_0V=0. \] 做功后的混合气体被排出,因此发动机不需要再次将其分离。所以,\(W\) 就是每次充入 \(n\) 摩尔气源气体所获得的有用功。
对于摩尔流量为 \(\dot n_g\) 的稳定供气,使多个气缸依次或并联运行,可得到理想平均功率 \[ \mathcal P(r)=\frac{\dot n_g}{n}W =\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right]. \] 等价地,如果 \(q_g\) 是在 \(p_0,T_0\) 下测得的气源体积流量,则 \[ \mathcal P(r)=p_0q_g \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right], \] 其中 \(p_0q_g\) 的单位为瓦特。
现在增加每摩尔气源气体所使用的空气量。由于 \[ \ln(1+r)\longrightarrow\infty, \qquad r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\longrightarrow1, \] 可得 \[ \mathcal P(r)=\dot n_gRT_0\,[\ln r+1+o(1)] \longrightarrow\infty. \] 因此,即使气体流量任意小、固定且为正,也不会对理论功率施加有限的上限。
这一结论允许装置尺寸、空气处理流量、膜面积和热交换均不受限制。通过使足够多的气缸并联运行,可以在采用缓慢、近乎可逆的活塞行程的同时,处理给定的气体流量。提高功率需要为每摩尔气体使用越来越多的新鲜空气。
最后,这一过程遵守热力学第二定律。对于温度不变的理想气体,混合过程不改变内能,因此吸收的热量等于所做的功: \[ Q=W. \] 气体的熵增为 \[ \Delta S_{\mathrm{mix}} =nR\ln\frac{V}{V_g}+rnR\ln\frac{V}{V_a} =\frac{W}{T_0}, \] 在可逆运行过程中,这恰好补偿了热库的熵减。发动机消耗的是气源气体与空气最初彼此分离的状态。功率发散的前提是可以获取任意多的新鲜空气;有限的储量和有限的设备则构成实际限制。
解答已与官方解答核对。
IPhO 1974 · Теоретическая задача 3
Двигатель, использующий источник газа и полупроницаемые мембраны
На необитаемом острове находилась научная экспедиция. У участников экспедиции были некоторые источники энергии, но через некоторое время они иссякли. Тогда участники решили создать альтернативный источник энергии. К сожалению, на острове царило полное затишье: ветра не было, облака равномерно покрывали небо, атмосферное давление было постоянным, а температуры воздуха и морской воды были одинаковыми и днём, и ночью. К счастью, они обнаружили источник химически нейтрального газа, очень медленно выходившего из полости. Давление и температура газа в точности совпадают с давлением и температурой атмосферы.
Однако в снаряжении экспедиции имелись специальные мембраны. Одна из них была идеально проницаема для газа и совершенно непроницаема для воздуха. Другая обладала противоположным свойством: она была идеально проницаема для воздуха и совершенно непроницаема для газа. У участников экспедиции были материалы и инструменты, позволявшие изготавливать различные механические устройства, такие как цилиндры с поршнями, клапаны и т. д. Они решили построить двигатель, использующий газ из полости.
Покажите, что мощность идеального двигателя, использующего описанные выше газ и мембраны, теоретически не ограничена.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Задача 3: Пусть \(\dot n_g>0\) — молярный расход газа из источника, \(T_0\) — температура окружающей среды, а \(r\) — число молей воздуха, используемых на один моль газа. Идеальный мембранный двигатель может развивать мощность \[ \boxed{\mathcal P(r)=\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right].} \] Поскольку \(\mathcal P(r)\to\infty\) при \(r\to\infty\), конечной теоретической верхней границы его мощности не существует, даже при фиксированном малом расходе газа.
Решение
Обозначим общее давление атмосферы и газа из источника через \(p_0\), а их температуру — через \(T_0\). Воспользуемся приближением идеального газа, пренебрежём трением и допустим изотермическую работу за счёт теплообмена с окружающей средой. Доступный ресурс — исходное разделённое состояние газа из источника и атмосферного воздуха: мембраны позволяют получать механическую работу при их смешении.
Рассмотрим порцию, состоящую из \(n\) молей газа из источника и \(rn\) молей воздуха, первоначально находящихся при \(p_0,T_0\). Их объёмы равны \[ V_g=\frac{nRT_0}{p_0},\qquad V_a=\frac{rnRT_0}{p_0}=rV_g, \] где \(R\) — универсальная газовая постоянная.
Поместим эти газы в цилиндр постоянного общего объёма \[ V=V_g+V_a, \] так, чтобы газ из источника находился слева, а воздух — справа. Первоначально их разделяют два расположенных вплотную друг к другу мембранных поршня:
- Левая мембрана пропускает газ из источника, но не пропускает воздух.
- Правая мембрана пропускает воздух, но не пропускает газ из источника.
Позволим левой мембране двигаться к левому торцу, а правой — к правому, причём каждая из них совершает работу над механической нагрузкой. Между мембранами находится смесь; вне этого промежутка слева находится чистый газ из источника, а справа — чистый воздух. В конечном итоге оба компонента занимают весь цилиндр.
Ключевое свойство заключается в том, что при обратимой работе парциальные давления компонента, проникающего через мембрану, одинаковы по обе её стороны. Поэтому силы, обусловленные давлением воздуха по обе стороны поршня, проницаемого для воздуха, взаимно компенсируются. Этот поршень движется только под действием парциального давления газа из источника. Если объём, доступный газу из источника, равен \(v_g\), то совершаемая им работа равна \[ dW_g=p_g\,dv_g=\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g. \] Аналогично поршень, проницаемый для газа, позволяет получать работу при расширении воздуха: \[ dW_a=p_a\,dv_a=\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a. \]
Следовательно, полная работа, полученная при обратимом изотермическом смешении, равна \[ \begin{aligned} W &=\int_{V_g}^{V}\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g +\int_{V_a}^{V}\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a\\ &=nRT_0\ln\frac{V}{V_g} +rnRT_0\ln\frac{V}{V_a}\\ &=\boxed{nRT_0\left[ \ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right) \right]}. \end{aligned} \]
В конце процесса полное давление смеси равно \[ p_f=\frac{(1+r)nRT_0}{V}=p_0. \] Поэтому смесь можно выпустить и заменить свежими газом и воздухом при общем давлении \(p_0\). Обычные поршни и перепускные клапаны позволяют осуществить эту замену и вернуть мембраны в исходное положение. Поскольку полные объёмы поступающих и выходящих газов равны, работы сил давления при впуске и выпуске взаимно компенсируются: \[ W_{\text{впуск/выпуск}}=p_0(V_g+V_a)-p_0V=0. \] Отработанная смесь выбрасывается, поэтому двигателю не требуется вновь разделять её. Таким образом, \(W\) — полезная работа, получаемая от одной порции, содержащей \(n\) молей газа из источника.
При постоянной подаче газа с молярным расходом \(\dot n_g\) использование цилиндров, работающих последовательно или параллельно, даёт идеальную среднюю мощность \[ \mathcal P(r)=\frac{\dot n_g}{n}W =\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right]. \] Эквивалентно, если \(q_g\) — объёмный расход газа из источника, измеренный при \(p_0,T_0\), то \[ \mathcal P(r)=p_0q_g \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right], \] где \(p_0q_g\) измеряется в ваттах.
Теперь увеличим количество воздуха, используемого на один моль газа из источника. Поскольку \[ \ln(1+r)\longrightarrow\infty, \qquad r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\longrightarrow1, \] получаем \[ \mathcal P(r)=\dot n_gRT_0\,[\ln r+1+o(1)] \longrightarrow\infty. \] Следовательно, даже сколь угодно малый, фиксированный положительный расход газа не накладывает конечного теоретического ограничения на мощность.
Этот вывод допускает неограниченные размеры установки, расход воздуха, площадь мембран и теплообмен. Медленные, почти обратимые рабочие ходы можно осуществлять в достаточно большом числе параллельно работающих цилиндров, чтобы использовать заданный поток газа. Для увеличения мощности требуется всё большее количество свежего воздуха на один моль газа.
Наконец, это не противоречит второму началу термодинамики. Для идеальных газов при неизменной температуре процесс смешения не изменяет внутреннюю энергию, поэтому поглощённая теплота равна работе: \[ Q=W. \] Увеличение энтропии газов равно \[ \Delta S_{\mathrm{mix}} =nR\ln\frac{V}{V_g}+rnR\ln\frac{V}{V_a} =\frac{W}{T_0}, \] что при обратимой работе компенсирует уменьшение энтропии теплового резервуара. Двигатель использует исходную разделённость газа и воздуха. Неограниченный рост мощности предполагает доступ к сколь угодно большому количеству свежего воздуха; конечные резервуары и конечные размеры оборудования накладывают практические ограничения.
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1974 · مسألة نظرية 3
محرك يستخدم مصدرًا للغاز وأغشية شبه منفذة
أقامت بعثة علمية في جزيرة غير مأهولة. وكان لدى أفراد البعثة بعض مصادر الطاقة، لكنها نفدت بعد فترة من الزمن. فقرروا عندئذ إنشاء مصدر بديل للطاقة. ولسوء الحظ، كانت الجزيرة ساكنة تمامًا: فلم تكن هناك رياح، وكانت السحب تغطي السماء بانتظام، وكان ضغط الهواء ثابتًا، وكانت درجتا حرارة الهواء وماء البحر متساويتين وثابتتين ليلًا ونهارًا. ولحسن الحظ، وجدوا مصدرًا لغاز خامل كيميائيًا يتدفق ببطء شديد من تجويف. وكان ضغط الغاز ودرجة حرارته مساويين تمامًا لضغط الغلاف الجوي ودرجة حرارته.
غير أن البعثة كانت تملك ضمن معداتها أغشية معينة. كان أحدها منفذًا تمامًا للغاز وغير منفذ إطلاقًا للهواء. وكان لغشاء آخر خاصية معاكسة: إذ كان منفذًا تمامًا للهواء وغير منفذ إطلاقًا للغاز. وكان لدى أفراد البعثة مواد وأدوات تتيح لهم صنع أجهزة ميكانيكية مختلفة، مثل أسطوانات ذات مكابس وصمامات وغيرها. فقرروا إنشاء محرك باستخدام الغاز المنبعث من التجويف.
بيّن أنه لا يوجد حد نظري لقدرة محرك مثالي يستخدم الغاز والأغشية المذكورة أعلاه.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- المسألة 3: لتكن \(\dot n_g>0\) معدل التدفق المولي لغاز المصدر، و\(T_0\) درجة حرارة الوسط المحيط، و\(r\) عدد مولات الهواء المستخدمة لكل مول من الغاز. يمكن لمحرك مثالي يعمل بالأغشية أن يعطي قدرة مقدارها \[ \boxed{\mathcal P(r)=\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right].} \] وبما أن \(\mathcal P(r)\to\infty\) عندما \(r\to\infty\)، فلا يوجد حد أعلى نظري منتهٍ لقدرته، حتى عند معدل تدفق غاز ثابت وصغير.
الحل
لنرمز إلى الضغط المشترك للغلاف الجوي والمصدر بـ\(p_0\)، وإلى درجة حرارتهما بـ\(T_0\). نستخدم تقريب الغاز المثالي، ونهمل الاحتكاك، ونتيح التشغيل متساوي الحرارة عن طريق التبادل الحراري مع الوسط المحيط. ويتمثل المورد المتاح في حالة الانفصال الابتدائية لغاز المصدر وهواء الغلاف الجوي: فالأغشية تتيح مزجهما لإنتاج شغل ميكانيكي.
لننظر في شحنة تتكون من \(n\) مول من غاز المصدر و\(rn\) مول من الهواء، عند \(p_0,T_0\) ابتدائيًا. ويكون حجماهما \[ V_g=\frac{nRT_0}{p_0},\qquad V_a=\frac{rnRT_0}{p_0}=rV_g, \] حيث \(R\) هو ثابت الغازات العام.
نضع هذين الغازين في أسطوانة ذات حجم كلي ثابت \[ V=V_g+V_a, \] بحيث يكون غاز المصدر على اليسار والهواء على اليمين. ويفصل بينهما في البداية مكبسان غشائيان متجاوران:
- يسمح الغشاء الأيسر بمرور غاز المصدر، لكنه يمنع مرور الهواء.
- يسمح الغشاء الأيمن بمرور الهواء، لكنه يمنع مرور غاز المصدر.
نسمح للغشاء الأيسر بالتحرك نحو الطرف الأيسر، وللغشاء الأيمن بالتحرك نحو الطرف الأيمن، بحيث يحرّك كل منهما حملًا ميكانيكيًا. ويوجد مزيج بين الغشاءين؛ أما خارجهما فيوجد غاز مصدر نقي على اليسار وهواء نقي على اليمين. وفي النهاية، يشغل كلا المكوّنين الأسطوانة بأكملها.
الخاصية الأساسية هي أن المكوّن النافذ عبر الغشاء يكون له الضغط الجزئي نفسه على جانبي غشائه عند التشغيل العكوس. ومن ثم، تتعادل القوى الناشئة عن الهواء على جانبي المكبس المنفذ للهواء. ولا يدفع ذلك المكبس إلا الضغط الجزئي لغاز المصدر. فإذا كان الحجم المتاح لغاز المصدر هو \(v_g\)، فإن الشغل الذي يبذله هو \[ dW_g=p_g\,dv_g=\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g. \] وبالمثل، يستخلص المكبس المنفذ للغاز شغلًا من الهواء المتمدد: \[ dW_a=p_a\,dv_a=\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a. \]
وبناءً على ذلك، يكون الشغل الكلي الناتج عن المزج العكوس متساوي الحرارة \[ \begin{aligned} W &=\int_{V_g}^{V}\frac{nRT_0}{v_g}\,dv_g +\int_{V_a}^{V}\frac{rnRT_0}{v_a}\,dv_a\\ &=nRT_0\ln\frac{V}{V_g} +rnRT_0\ln\frac{V}{V_a}\\ &=\boxed{nRT_0\left[ \ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right) \right]}. \end{aligned} \]
في النهاية، يكون الضغط الكلي للمزيج \[ p_f=\frac{(1+r)nRT_0}{V}=p_0. \] ولذلك يمكن طرده واستبداله بغاز وهواء جديدين عند الضغط المشترك \(p_0\). ويمكن لمكابس عادية وصمامات تجاوز إجراء هذا التبادل وإعادة الأغشية إلى وضعها الابتدائي. وبما أن الحجم الكلي الداخل يساوي الحجم الكلي الخارج، فإن شغلي الضغط والحجم المصاحبين لهما يتلاشيان: \[ W_{\text{السحب/الطرد}}=p_0(V_g+V_a)-p_0V=0. \] يُصرَّف المزيج المستهلك، فلا يحتاج المحرك إلى فصله مرة أخرى. ومن ثم فإن \(W\) هو الشغل المفيد لكل شحنة تحتوي على \(n\) مول من غاز المصدر.
عند إمداد ثابت بالغاز بمعدل \(\dot n_g\)، يعطي تشغيل أسطوانات متعاقبة أو متوازية قدرة متوسطة مثالية مقدارها \[ \mathcal P(r)=\frac{\dot n_g}{n}W =\dot n_gRT_0 \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right]. \] وبصورة مكافئة، إذا كان \(q_g\) معدل التدفق الحجمي للمصدر مقاسًا عند \(p_0,T_0\)، فإن \[ \mathcal P(r)=p_0q_g \left[\ln(1+r)+r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\right], \] حيث يُقاس \(p_0q_g\) بالواط.
نزيد الآن كمية الهواء المستخدمة لكل مول من غاز المصدر. وبما أن \[ \ln(1+r)\longrightarrow\infty, \qquad r\ln\!\left(1+\frac1r\right)\longrightarrow1, \] فإننا نحصل على \[ \mathcal P(r)=\dot n_gRT_0\,[\ln r+1+o(1)] \longrightarrow\infty. \] وعليه، حتى معدل تدفق غاز موجب وثابت وصغير كيفما نشاء لا يفرض حدًا أعلى نظريًا منتهيًا للقدرة.
تسمح هذه النتيجة بأن يكون حجم الجهاز ومعدل مرور الهواء ومساحة الأغشية والتبادل الحراري غير مقيّدة. ويمكن تنفيذ أشواط بطيئة وشبه عكوسة في عدد كافٍ من الأسطوانات المتوازية لمعالجة معدل تدفق الغاز المحدد. وتتطلب زيادة القدرة كمية متزايدة من الهواء الجديد لكل مول من الغاز.
وأخيرًا، يتفق ذلك مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ففي الغازات المثالية عند ثبات درجة الحرارة، لا تغيّر عملية المزج الطاقة الداخلية، ولذلك تساوي الحرارة الممتصة الشغل المبذول: \[ Q=W. \] وتكون زيادة إنتروبيا الغازين \[ \Delta S_{\mathrm{mix}} =nR\ln\frac{V}{V_g}+rnR\ln\frac{V}{V_a} =\frac{W}{T_0}, \] وهي تعادل نقصان إنتروبيا الخزان الحراري عند التشغيل العكوس. ويستهلك المحرك حالة الانفصال الابتدائية للغاز والهواء. ويفترض تباعد القدرة إلى ما لا نهاية إتاحة كمية كبيرة كيفما نشاء من الهواء الجديد؛ أما الخزانات المحدودة والمعدات المحدودة فتفرض حدودًا عملية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.