Цикъл на Ото: идеализиран модел на бензинов двигател

1 · Предскажи

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?

2 · Постановка

  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.

3 · Събери данни

Номер на стъпкаЦелеви обем на стъпката V (m³)Работа, извършена от газа в тази стъпка (J)
1
2
3
4

Скицирай P-V диаграмата за всичките 4 стъпки. Отбележи кои стъпки са сегментите с постоянен обем (вертикалните) и потвърди, че показанията ти за работа там са 0.

4 · Анализирай

  1. 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.
  2. 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.

5 · Надгради

  1. 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.
  2. 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?

Физиката зад този експеримент

КПД на цикъла на Ото

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.

← Назад към експеримента

Термодинамика

138 безплатни работни листа по физика за печат