Termodynamik
Stirling-cyklus
To isotermer + to isokorer med regeneration.
Stirling-cyklus — interaktiv Termodynamik-simulation. To isotermer + to isokorer med regeneration. Gratis virtuelt fysiklaboratorium i browseren med live SI-målinger og en guidet gennemgang.
Stirling-cyklus
To isotermer + to isokorer med regeneration.
Stirling-processen bruger en regenerator til at lagre varme under de isokore trin og afgive den senere, og nærmer sig Carnot-lignende ydeevne i et ideelt design. Reelle Stirling-motorer bytter kompleksitet for stille drift og fleksible varmekilder.
- To isotermer + regeneration
- η_Carnot i den ideelle grænse
Undersøgelsesoplæg
Planlæg spørgsmålet, før du åbner laboratoriet
Resuméet spejler den forhåndsrenderede side: drivende spørgsmål, konkurrerende forudsigelser, variablernes roller, styrende love, opsætning, analyse- og udvidelsesspørgsmål forbliver synlige og i denne rækkefølge.
Drivende spørgsmål
Stirling-processen bruger 2 isoterme trin og 2 isokore trin, slet ingen adiabatiske. Dens virkningsgrad kan principielt matche Carnot-værdien, hvis en perfekt "regenerator" genbruger varme mellem de isokore trin. Uden en ideel regenerator — kommer den simple kredsproces-virkningsgrad, du måler, så under Carnot-grænsen?
Forudsigelser at afveje
- Ja — uden regenerator er denne kredsprocesses rå virkningsgrad under Carnot-grænsen for de samme to reservoirtemperaturer.
- Virkningsgraden er præcis lig med Carnot-grænsen uanset regenerering.
- Virkningsgraden overstiger Carnot-grænsen.
Variablers roller
Det, du indstiller:
- Trinnummer
Det, du måler:
- Trinnets målvolumen V (m³)
- Arbejde udført af gassen i dette trin (J)
Sådan forløber undersøgelsen
- Åbn forudstillingen stirling-cycle, og tryk på Nulstil. 1 mol argon kører i kredsproces mellem 600 K og 300 K med udelukkende isoterme og isokore trin.
- Slå aflæsningen af arbejde pr. trin og aflæsningen af kredsproces-virkningsgraden til.
- Aflæs for hvert trin i kredsprocessen (1 til 4) trinnets målvolumen og det arbejde, gassen udfører under trinnet.
Styrende ligning
Carnot-grænsen for kredsproces-virkningsgrad — η_c = 1 − Tc / Th
Ingen kredsproces mellem temperaturene Tc og Th — Stirling inkluderet — kan overstige Carnot-virkningsgraden η_c = 1 − Tc/Th. En virkelig (ikke-regenereret) Stirling-proces når ikke grænsen, fordi den afgiver ugenvundet varme under sit isokore køletrin.
Det, det printbare arbejdsark beder eleverne regne ud
- Bekræft, at trin 2 og 4 (isokore) viser W = 0. Læg alle 4 trins arbejde sammen til kredsprocessens nettoarbejde, og sammenlign aflæsningen af kredsproces-virkningsgraden med Carnot-grænsen η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- Denne kredsprocesses rå virkningsgrad (uden en ideel regenerator, der genvinder de isokore trins varme) forbliver under 0.5. Forklar ud fra første hovedsætning, hvorfor varmen, der afgives under det isokore køletrin, repræsenterer energi, som den simple motor ikke genvinder.
Hvor det viser sig uden for laboratoriet
- En rigtig Stirling-motor bruger en regenerator — et metalnet, der lagrer varme afgivet under isokor køling og returnerer den under isokor opvarmning. Forklar, hvorfor en perfekt regenerator ville lade denne kredsproces nå Carnot-virkningsgraden, selv uden adiabatiske trin.
- Stirling-motorer er eftertragtede, fordi de kan køre på enhver ekstern varmekilde (sol, spildvarme, endda temperaturforskelle i rummet) i stedet for at kræve intern forbrænding. Hvorfor kan en lukket kredsprocesmotor med ekstern opvarmning være attraktiv til netop de anvendelser?
- 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
- Velkommen til Stirling-processen
- Vælg kammeret
- Tryk på Afspil
- Regenerativ cyklus
- Åbn egenskabspanelet
- Du klarede det!
Åbn den interaktive simulation for at bygge scenen, tryk på Afspil og udforsk med live-målinger og en guidet gennemgang.
Åbn interaktivt laboratorium →
Varmekraftmaskiner og Carnot-virkningsgrad