Термодинамика

Цикъл на Стирлинг

Две изотерми + два изохори с регенерация.

Цикъл на Стирлинг — интерактивна симулация Термодинамика. Две изотерми + два изохори с регенерация. Безплатна виртуална физическа лаборатория в браузъра с живи SI измервания и упътване.

Цикъл на Стирлинг

Две изотерми + два изохори с регенерация.

Цикълът на Стирлинг ползва регенератор, за да съхранява топлина по време на стъпките при постоянен обем и да я връща по-късно, приближавайки представяне като Карно в идеален дизайн. Реалните Стирлинг двигатели разменят сложност за по-тиха работа и гъвкави източници на топлина.

• Две изотерми + регенерация
• η_Carnot в идеалната граница

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 Стирлинг ползва 2 изотермични и 2 изохорни стъпки, без никакви адиабатни. Неговият КПД може принципно да съответства на Карно стойността, ако перфектен „регенератор“ рециклира топлина между изохорните стъпки. Без идеален регенератор, остава ли простият цикълен КПД, който измерваш, под Карно границата?

Предсказвания за преценка

• Да — без регенератор суровият КПД на този цикъл е под Карно границата за същите две температури на резервоари.
• КПД е точно равен на Карно границата независимо от регенерацията.
• КПД надхвърля Карно границата.

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 Стирлинг и натисни Нулирай. 1 mol аргон циклира между 600 K и 300 K, ползвайки само изотермични и изохорни стъпки.
2. Включи показанието за работа по стъпки и показанието за КПД на цикъла.
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

Карно граница за КПД на цикъл — η_c = 1 − Tc / Th

Никакъв цикъл, работещ между температури Tc и Th — включително Стирлинг — не може да надхвърли КПД на Карно η_c = 1 − Tc/Th. Реален (нерегенериран) Стирлинг цикъл изостава от тази граница, защото изхвърля невъзстановена топлина по изохорно-охлаждащата си стъпка.

Какво иска да изчислят учениците печатният работен лист

• Потвърди, че стъпки 2 и 4 (изохорните) показват W = 0. Сбери работата на всичките 4 стъпки за нетната циклова работа и сравни показанието за КПД на цикъла с Карно границата η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Суровият КПД на този цикъл (без идеален регенератор, връщащ топлината на изохорните стъпки) стои под 0.5. Обясни, с първия закон, защо топлината, изхвърлена по изохорно-охлаждащата стъпка, представлява енергия, която простата машина не възстановява.

Къде това се появява извън лабораторията

• Реалният Стирлинг двигател ползва регенератор — мрежа, която съхранява топлината, отделена при изохорно охлаждане, и я връща при изохорно загряване. Обясни защо перфектен регенератор би позволил на този цикъл да приближи КПД на Карно дори без адиабатни стъпки.
• Стирлинг двигателите се ценят, защото работят с всеки външен източник на топлина (слънчева, отпадна топлина, дори температурни разлики в космоса), вместо да изискват вътрешно горене. Защо затвореноциклен двигател с външно загряване може да е привлекателен за тези приложения?

• 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 Стирлинг
2. Избери камерата
3. Натисни Пусни
4. Регенеративен цикъл
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