الديناميكا الحرارية
دورة أوتو
دورة محرك البنزين: كظومان + متساويان حجمًا.
دورة أوتو — محاكاة الديناميكا الحرارية تفاعلية. دورة محرك البنزين: كظومان + متساويان حجمًا. مختبر فيزياء افتراضي مجاني يعمل في المتصفح مع قياسات حية بوحدات النظام الدولي وشرح موجّه.
دورة أوتو
دورة محرك البنزين: كظومان + متساويان حجمًا.
تحاكي دورة أوتو محرك إشعال شرارة: الاحتراق السريع عند حجم شبه ثابت يرفع الضغط، يليه تمدد كظومي يبذل شغلًا ثم عادم عند حجم ثابت. هي أقل كفاءة من كارنو عند الحدين الحراريين نفسيهما لأن الحرارة تُضاف عند درجة حرارة متغيرة.
- η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
- محرك بنزين
موجز التحقيق
خطط للسؤال قبل فتح المختبر
تعكس المقدمة الصفحة المُصيّرة مسبقًا: سؤال القيادة، والتوقعات المتنافسة، وأدوار المتغيرات، والقوانين الحاكمة، والتجهيز، والتحليل، وأسئلة التوسع تبقى مرئية وبهذا الترتيب.
السؤال القائد
تحاكي دورة أوتو (انضغاط كظومي، تسخين متساوي الحجم، تمدد كظومي، تبريد متساوي الحجم) محركَ بنزين. بخلاف دورة كارنو، مرحلتان منها عند حجم ثابت لا درجة حرارة ثابتة. خلال هاتين المرحلتين متساويتي الحجم، هل يبذل الغاز شغلًا؟
توقعات للموازنة
- لا يزال يُبذل شغل لأن الضغط يتغير خلالهما.
- المرحلتان متساويتا الحجم تبذلان شغلًا سالبًا.
- لا يُبذل شغل أثناء طرفي الحجم الثابت، لأن W = PΔV و ΔV = 0.
أدوار المتغيرات
ما تضبطه:
- رقم المرحلة
ما تقيسه:
- الحجم المستهدف للمرحلة V (m³)
- شغل الغاز في هذه المرحلة (J)
كيف يجري التحقيق
- افتح مسبق دورة أوتو واضغط إعادة الضبط. ينضغط 1 مول من النيتروجين (f = 5) من 0.04 m³ إلى 0.01 m³، ثم يسخن عند حجم ثابت إلى 900 K.
- فعّل قراءتي شغل وحرارة كل مرحلة.
- لكل مرحلة (1 إلى 4) اقرأ الحجم المستهدف للمرحلة وشغل الغاز خلالها.
المعادلة الحاكمة
كفاءة دورة أوتو — η = W / Qin
لدورة أوتو المثالية، تعتمد الكفاءة فقط على نسبة الانضغاط r = V₁/V₂ ونسبة السعات الحرارية للغاز γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). نسب الانضغاط الأعلى تعطي كفاءة أعلى.
ما يطلب من الطلاب استخراجه في ورقة العمل القابلة للطباعة
- أكد أن الطرفين 2 و4 (طرفا الحجم الثابت) يُظهران W = 0 في جدولك، بينما يُظهر الطرفان 1 و3 (الكظومان) شغلًا غير صفري. احسب نسبة الانضغاط r = V₁/V₂ = 4 وكفاءة الدورة η = 1 − 1/r^(γ−1) باستخدام γ = 1.4.
- صافي شغل هذه الدورة موجب رغم أن نصف مراحلها بلا شغل. اشرح كيف تستطيع المرحلتان الكظوميتان وحدهما إنتاج صافي خرج شغل موجب.
أين يظهر هذا خارج المختبر
- محركات البنزين الحقيقية محدودة بنسب انضغاط حول 10-12 (النسب الأعلى تسبب اشتعالًا مبكرًا/طرقًا). باستخدام η = 1 − 1/r^(γ−1)، اشرح لماذا يسعى مصممو المحركات لنسب انضغاط أعلى متى أمكن.
- يستخدم محرك الديزل دورة مختلفة (تسخين متساوي الضغط بدل الحجم) لكن بفكرة الانضغاط الكظومي المماثلة. يعتمد كلاهما على المراحل الكظومية لتحويل شغل الانضغاط إلى درجات حرارة أعلى. لماذا يهم تقليل الفقد الحراري أثناء الانضغاط لكلا التصميمين؟
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.4 Thermodynamics
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- أهلًا بك في دورة أوتو
- حدد الغرفة
- اضغط تشغيل
- دورة محرك البنزين
- افتح لوحة الخصائص
- أحسنت!
افتح المحاكاة التفاعلية لبناء المشهد، واضغط تشغيل، واستكشف بقياسات حية وشرح موجّه.
المحركات الحرارية وكفاءة كارنو