Термодинамика

Цикъл на Карно

Най-ефективният цикъл: η = 1 − Tc/Th.

Цикъл на Карно — интерактивна симулация Термодинамика. Най-ефективният цикъл: η = 1 − Tc/Th. Безплатна виртуална физическа лаборатория в браузъра с живи SI измервания и упътване.

КПД на Карно

Най-ефективният цикъл: η = 1 − Tc/Th.

Карно машина работи обратимо между два резервоара. Всяка стъпка е или изотермична (топлообмен при фиксирана T), или адиабатна (без топлина). Никаква реална машина не може да надхвърли този КПД, защото необратимостта губи полезна енергия като производство на ентропия.

• η = 1 − T_c/T_h
• Максимално η

Резюме на изследването

Планирай въпроса, преди да отвориш лабораторията

Краткото описание повтаря пререндерираната страница: водещият въпрос, съперничещите предсказвания, ролите на променливите, управляващите закони, постановката, анализът и разширяващите подсказки остават видими и в този ред.

Водещ въпрос

Карно машина прекарва газа през 4 стъпки (изотермично разширение, адиабатно разширение, изотермична компресия, адиабатна компресия) обратно в началното състояние. Променя ли се вътрешната енергия на газа за една пълна обиколка?

Предсказвания за преценка

• Вътрешната енергия нараства за цикъла, понеже газът извършва нетна положителна работа.
• Вътрешната енергия се връща в началната си стойност — нула нетна промяна за затворен цикъл.
• Вътрешната енергия намалява за цикъла.

Роли на променливите

Какво задаваш ти:

• Номер на стъпка

Какво измерваш:

• Целеви обем на стъпката V (L)
• Работа, извършена от газа в тази стъпка (J)

Как протича изследването

1. Отвори настройката цикъл на Карно и натисни Нулирай. 1 mol аргон (f = 3) циклира между горещ резервоар 600 K и студен резервоар 300 K.
2. Включи показанието за работа по стъпки.
3. За всяка стъпка от цикъла (1 до 4) прочети целевия обем на стъпката и работата, извършена от газа по време на тази стъпка.

Управляващо уравнение

КПД на Карно — η_c = 1 − Tc / Th

Максималният възможен КПД на всяка топлинна машина, работеща между горещ резервоар Th и студен Tc, зависи само от тяхното температурно отношение: η_c = 1 − Tc/Th.

Какво иска да изчислят учениците печатният работен лист

• Сбери стойностите на работа от 4-те си стъпки. Сравни сбора с nR(Th − Tc)·ln(2) (приближено, за обемните отношения на този цикъл) и сравни КПД на цикъла η = W_net/Qin с Карно стойността η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Две стъпки имат положителна работа (разширение) и две отрицателна (компресия). Обясни защо *нетната* работа за пълния цикъл пак е положителна, правейки това топлинна машина, а не цикъл без действие.

Къде това се появява извън лабораторията

• Никаква реална машина, работеща между същите две температури на резервоари, не може да победи Карно КПД. Обясни, с η_c = 1 − Tc/Th, защо машина би могла да достигне 100% КПД само ако Tc = 0 K — физически недостижимо.
• Цикълът на Карно е изграден изцяло от обратими стъпки (изотермични и адиабатни, и двете идеализирани като безкрайно бавни). Обясни защо реална машина, която неизбежно има триене и топлопредаване с крайна скорост, никога не може съвсем да достигне този идеален КПД.

• 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

1. Добре дошъл при цикъла на Карно
2. Избери камерата
3. Натисни Пусни
4. Максимален КПД
5. Отвори панела Свойства
6. Справи се!

Отвори интерактивната симулация, за да изградиш сцената, натисни Пусни и разгледай с живи измервания и насочено упътване.

Отвори интерактивната лаборатория →

Изтегли работния лист →

Топлинни машини и КПД на Карно