Termodynamika

Stirlingův cyklus

Dvě izotermy + dvě izochory s regenerací.

Stirlingův cyklus — interaktivní simulace Termodynamika. Dvě izotermy + dvě izochory s regenerací. Bezplatná virtuální fyzikální laboratoř v prohlížeči se živými měřeními v SI a řízeným tutoriálem.

Stirlingův cyklus

Dvě izotermy + dvě izochory s regenerací.

Stirlingův cyklus používá regenerátor, který ukládá teplo během kroků při konstantním objemu a později ho vrací, a v ideálním návrhu se blíží Carnotově účinnosti. Skutečné Stirlingovy motory mění složitost za tišší chod a flexibilní zdroje tepla.

• Dvě izotermy + regenerace
• η_Carnot v ideálním limitě

Souhrn zkoumání

Naplánuj otázku dřív, než otevřeš laboratoř

Stručný přehled odpovídá předrenderované stránce: hlavní otázka, konkurenční predikce, role proměnných, řídicí zákony, sestavení, analýza i rozšiřující podněty zůstávají viditelné a v tomto pořadí.

Hlavní otázka

Stirlingův cyklus používá 2 izotermické věty a 2 izochorické věty, žádné adiabatické. Jeho účinnost může v zásadě odpovídat Carnotově hodnotě, pokud dokonalý „regenerátor“ recykluje teplo mezi izochorickými větami. Bez ideálního regenerátoru zůstává měřená účinnost jednoduchého cyklu pod Carnotovou mezí?

Predikce k zvážení

• Ano — bez regenerátoru je surová účinnost tohoto cyklu pod Carnotovým limitem pro stejné dvě teploty zásobníků.
• Účinnost se přesně rovná Carnotovu limitu bez ohledu na regeneraci.
• Účinnost překračuje Carnotův limit.

Role proměnných

Co nastavuješ:

• Číslo věty

Co měříš:

• Cílový objem věty V (m³)
• Práce vykonaná plynem v této větě (J)

Jak zkoumání probíhá

1. Otevři předvolbu stirling-cycle a stiskni Resetovat. 1 mol argonu cyklí mezi 600 K a 300 K jen izotermickými a izochorickými větami.
2. Zapni odečet práce po větách a odečet účinnosti cyklu.
3. Pro každou větu cyklu (1 až 4) odečti cílový objem věty a práci vykonanou plynem během té věty.

Řídící rovnice

Carnotova mez účinnosti cyklu — η_c = 1 − Tc / Th

Žádný cyklus pracující mezi teplotami Tc a Th — včetně Stirlingova — nemůže překročit Carnotovu účinnost η_c = 1 − Tc/Th. Skutečný (neregenerovaný) Stirlingův cyklus této meze nedosahuje, protože vyhazuje nevrácené teplo během izochorické chladicí věty.

Co tisknutelný pracovní list žádá žáky vypočítat

• Potvrď, že věty 2 a 4 (izochorické) ukazují W = 0. Sečti práci všech 4vět pro čistou práci cyklu a porovnej odečet účinnosti cyklu s Carnotovou mezí η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Surová účinnost tohoto cyklu (bez ideálního regenerátoru vracíjícího teplo izochorickýchvět) zůstává pod 0.5. Vysvětli pomocí prvního zákona, proč teplo vyhozené během izochorické chladicí věty představuje energii, kterou jednoduchý stroj nevrací.

Kde se to objevuje mimo laboratoř

• Skutečný Stirlingův motor používá regenerátor — síťku, která ukládá teplo uvolněné během izochorického chlazení a vrací ho během izochorického ohřevu. Vysvětli, proč dokonalý regenerátor by dovolil tomuto cyklu přiblížit se Carnotově účinnosti i bez adiabatickýchvět.
• Stirlingovy motory jsou ceněny, že běží na libovolný externí zdroj tepla (sluneční, odpadní teplo, i teplotní rozdíly ve vesmíru), místo aby vyžadovaly vnitřní spalování. Proč by mohl být uzavřený cyklus s externím ohřevem přitažlivý pro tyto aplikace?

• 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. Vítej ve Stirlingově cyklu
2. Vyber komoru
3. Stiskni Spustit
4. Regenerativní cyklus
5. Otevři panel Vlastnosti
6. Povedlo se!

Otevři interaktivní simulaci, postav scénu, stiskni Spustit a prozkoumávej s živými měřeními a řízeným tutoriálem.

Otevřít interaktivní laboratoř →

Stáhnout pracovní list →

Tepelné stroje a Carnotova účinnost