الديناميكا الحرارية
دورة ستيرلينغ
متساويان حراريًا + متساويان حجمًا مع تجديد.
دورة ستيرلينغ — محاكاة الديناميكا الحرارية تفاعلية. متساويان حراريًا + متساويان حجمًا مع تجديد. مختبر فيزياء افتراضي مجاني يعمل في المتصفح مع قياسات حية بوحدات النظام الدولي وشرح موجّه.
دورة ستيرلينغ
متساويان حراريًا + متساويان حجمًا مع تجديد.
تستخدم دورة ستيرلينغ مجددًا يخزن الحرارة أثناء الخطوات ثابتة الحجم ويعيدها لاحقًا، مقتربة من أداء شبه كارنو في تصميم مثالي. تقايض محركات ستيرلينغ الحقيقية التعقيد بتشغيل أهدأ ومصادر حرارة مرنة.
- متساويان حراريًا + تجديد
- η_Carnot عند الحد المثالي
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
تستخدم دورة ستيرلينغ مرحلتين متساويتي الحرارة ومرحلتين متساويتي الحجم، ولا مراحل كظومة إطلاقًا. يمكن لكفاءتها مبدئيًا مطابقة قيمة كارنو لو أعاد «مُجدِّدٌ» تام تدوير الحرارة بين المرحلتين متساويتي الحجم. دون مجدد مثالي، هل تقصر كفاءة الدورة البسيطة التي تقيسها عن حد كارنو؟
توقعات للموازنة
- نعم — دون مجدد، كفاءة هذه الدورة الخام دون حد كارنو لدرجتي حرارة المستودعين نفسهما.
- تساوي الكفاءة حد كارنو بالضبط مهما كان التجديد.
- تفوق الكفاءة حد كارنو.
أدوار المتغيرات
ما تضبطه:
- رقم المرحلة
ما تقيسه:
- الحجم المستهدف للمرحلة V (m³)
- شغل الغاز في هذه المرحلة (J)
كيف يجري التحقيق
- افتح تجربة دورة ستيرلينغ واضغط إعادة. 1 mol أرغون يدور بين 600 K و300 K بمراحل متساوية الحرارة والحجم فقط.
- فعّل قراءة شغل كل مرحلة وقراءة كفاءة الدورة.
- لكل مرحلة من مراحل الدورة (1 إلى 4) اقرأ الحجم المستهدف للمرحلة وشغل الغاز خلالها.
المعادلة الحاكمة
حد كارنو على كفاءة الدورة — η_c = 1 − Tc / Th
لا يمكن لأي دورة تعمل بين درجتي حرارة Tc وTh — ستيرلينغ شاملة — أن تتجاوز كفاءة كارنو η_c = 1 − Tc/Th. دورة ستيرلينغ حقيقية (بدون تجديد) تقصر عن هذا الحد لأنها تطرح حرارة غير مسترجعة أثناء طرف تبريدها متساوي الحجم.
ما يطلب من الطلاب استخراجه في ورقة العمل القابلة للطباعة
- أكد أن الطرفين 2 و4 (متساويا الحجم) يُظهران W = 0. اجمع شغل الأطراف الأربعة كلها لصافي شغل الدورة، وقارن قراءة كفاءة الدورة بحد كارنو η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- تبقى كفاءة هذه الدورة الخام (دون مجدد مثالي يستعيد حرارة المرحلتين متساويتي الحجم) دون 0.5. بالقانون الأول، اشرح لماذا تمثل الحرارة المطروحة أثناء مرحلة التبريد متساوي الحجم طاقةً لا يستعيدها المحرك البسيط.
أين يظهر هذا خارج المختبر
- محرك ستيرلينغ الحقيقي يستخدم مجددًا — شبكة تخزن الحرارة المتحررة أثناء التبريد متساوي الحجم وتعيدها أثناء التسخين متساوي الحجم. اشرح لماذا يتيح مجدد تام لهذه الدورة الاقتراب من كفاءة كارنو حتى بلا مراحل كظومة.
- تُقدَّر محركات ستيرلينغ لعملها بأي مصدر حرارة خارجي (شمسي أو حرارة ضائعة أو حتى فروق الحرارة في الفضاء) بدل اشتراط الاحتراق الداخلي. لماذا قد يكون محرك دورة مغلقة بتسخين خارجي جذابًا لتلك التطبيقات؟
- 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 ستيرلينغ
- حدد الغرفة
- اضغط تشغيل
- دورة مجدِّدة
- افتح لوحة الخصائص
- أحسنت!
افتح المحاكاة التفاعلية لبناء المشهد، واضغط تشغيل، واستكشف بقياسات حية وشرح موجّه.
المحركات الحرارية وكفاءة كارنو