Термодинамика

Цикъл на Ото

Цикълът на бензиновия двигател: два адиабати + два изохори.

Цикъл на Ото — интерактивна симулация Термодинамика. Цикълът на бензиновия двигател: два адиабати + два изохори. Безплатна виртуална физическа лаборатория в браузъра с живи SI измервания и упътване.

Цикъл на Ото

Цикълът на бензиновия двигател: два адиабати + два изохори.

Цикълът на Ото моделира двигател с запалване от искра: бързо изгаряне при почти постоянен обем повишава налягането, последвано от адиабатно разширение, извършващо работа, после изгорели газове при постоянен обем. По-неефективен е от Карно при същите температурни крайности, защото топлината се добавя при променлива температура.

• η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
• Бензинов двигател

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

Цикълът на Ото (адиабатна компресия, изохорно загряване, адиабатно разширение, изохорно охлаждане) моделира бензинов двигател. За разлика от цикъла на Карно, две от стъпките му са при постоянен обем, а не постоянна температура. По време на тези стъпки с постоянен обем извършва ли газът работа?

Предсказвания за преценка

• Пак се извършва работа, защото налягането се променя по тези стъпки.
• Стъпките с постоянен обем извършват отрицателна работа.
• Не се извършва работа по стъпките с постоянен обем, понеже W = PΔV и ΔV = 0.

Роли на променливите

Какво задаваш ти:

• Номер на стъпка

Какво измерваш:

• Целеви обем на стъпката V (m³)
• Работа, извършена от газа в тази стъпка (J)

Как протича изследването

1. Отвори настройката цикъл на Ото и натисни Нулирай. 1 mol азот (f = 5) се компресира от 0.04 m³ до 0.01 m³, после загрява при постоянен обем до 900 K.
2. Включи показанията за работа и топлина 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 цикъла на Ото — η = W / Qin

За идеализиран цикъл на Ото КПД зависи само от отношението на компресия r = V₁/V₂ и отношението на топлоемностите на газа γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). По-високи отношения на компресия дават по-висок КПД.

Какво иска да изчислят учениците печатният работен лист

• Потвърди, че стъпки 2 и 4 (изохорните) показват W = 0 в таблицата ти, докато стъпки 1 и 3 (адиабатните) показват ненулева работа. Изчисли отношението на компресия r = V₁/V₂ = 4 и КПД на цикъла η = 1 − 1/r^(γ−1) с γ = 1.4.
• Нетната работа на този цикъл е положителна, макар половината му стъпки да извършват нулева работа. Обясни как само двете адиабатни стъпки могат да произведат нетен положителен работен изход.

Къде това се появява извън лабораторията

• Реалните бензинови двигатели са ограничени до отношения на компресия около 10-12 (по-високи причиняват преждевременно запалване/чукане). С η = 1 − 1/r^(γ−1) обясни защо проектировчиците на двигатели се стремят към по-високи отношения на компресия, когато е възможно.
• Дизеловият двигател ползва различен цикъл (изобарно загряване вместо изохорно), но сходна идея за адиабатна компресия. И двата разчитат на адиабатни стъпки, за да превръщат работата по компресия в по-високи температури. Защо минимизирането на топлинните загуби по време на компресия е важно и за двата дизайна?

• 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 Ото
2. Избери камерата
3. Натисни Пусни
4. Цикъл на бензинов двигател
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