Thermodynamik

Kühlschrank (umgekehrter Carnot)

Umgekehrt: Arbeit pumpt Wärme kalt→heiß (COP = Tc/(Th−Tc)).

Kühlschrank (umgekehrter Carnot) — interaktive Thermodynamik-Simulation. Umgekehrt: Arbeit pumpt Wärme kalt→heiß (COP = Tc/(Th−Tc)). Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.

Kühlschrank-Leistungszahl

Umgekehrt betrieben: zugeführte Arbeit pumpt Wärme kalt→heiß (COP = Tc/(Th−Tc)).

Ein Kühlschrank ist eine rückwärts betriebene Wärmekraftmaschine: elektrische Arbeit treibt Wärme vom kalten Inneren in den warmen Raum. Die Leistungszahl COP = Q_c/W kann größer als 1 sein, weil die gepumpte Wärme größer ist als die zugeführte Arbeit — anders als der Wirkungsgrad, der immer ≤ 1 ist.

• COP = T_c/(T_h−T_c)
• Zugeführte Arbeit

Untersuchungsbericht

Planen Sie die Frage, bevor Sie das Labor öffnen

Das Briefing entspricht der vorgerenderten Seite: Leitfrage, konkurrierende Vorhersagen, Variablenrollen, maßgebliche Gesetze, Aufbau sowie Analyse- und Erweiterungsaufgaben bleiben sichtbar und in dieser Reihenfolge.

Fahrfrage

Wenn man den Carnot-Zyklus rückwärts laufen lässt, verwandelt sich ein Motor in einen Kühlschrank – das Netzwerk geht hinein, anstatt herauszukommen. Nimmt das Gas immer noch Wärme aus dem Kältereservoir auf, so wie ein echter Kühlschrank Wärme aus seinem Inneren entzieht?

Vorhersagen zum Abwägen

• Nein – durch die Umkehrung des Kreislaufs wird auch umgekehrt, welches Reservoir Wärme aufnimmt.
• Ein umgekehrter Zyklus tauscht mit keinem der beiden Reservoire Wärme aus.
• Ja – der umgekehrte Zyklus absorbiert Wärme von der kalten Seite und gibt mehr Wärme an die heiße Seite ab, indem er die zugeführte Arbeit dafür nutzt.

Variable Rollen

Was Sie eingestellt haben:

• Teilschrittnummer

Was Sie messen:

• Zielvolumen des Teilschritts V (L)
• Arbeit, die das Gas in diesem Teilschritt leistet (J)

Wie die Untersuchung abläuft

1. Öffnen Sie die Preset „Carnot-Kältemaschine“ und drücken Sie Zurücksetzen. Dieselben 4 Teilschritte wie beim Carnot-Zyklus laufen in umgekehrter Reihenfolge ab.
2. Aktivieren Sie die Arbeitsanzeige pro Teilschritt sowie die COP-Anzeigen für Kühlung/Heizung.
3. Lesen Sie für jeden Abschnitt des Zyklus (1 bis 4) das Zielvolumen des Abschnitts und die vom Gas während dieses Abschnitts geleistete Arbeit ab.

Maßgebende Gleichung

Leistungskoeffizient des Kühlschranks — COP = Tc / (Th − Tc)

Die Kühlleistung eines umgekehrten Carnot-Zyklus wird durch COP_cool = Tc/(Th − Tc) gemessen: wie viel Wärme pro zugeführter Arbeitseinheit aus dem kalten Raum entfernt wird. Kleinere Temperaturunterschiede ergeben einen besseren (höheren) COP.

Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen

• Summieren Sie die Arbeitswerte Ihrer 4 legs – die Summe (vom Gas geleistete Netzwerkarbeit) sollte negativ ausfallen, was bedeutet, dass die Netzwerkarbeit dem Gas zugeführt werden muss. Berechnen Sie den Kühl-COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 und den Heiz-COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Vergleichen Sie hier die Etappenreihenfolge mit der Etappenreihenfolge von Carnot-Cycle. Erklären Sie, wie durch einfaches Umkehren der Reihenfolge derselben 4 legs der Zyklus von einem Motor (Network Out) in einen Kühlschrank (Network In) umgedreht wird.

Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird

• Ein Kühl-COP von 1.0 bedeutet, dass der Kühlschrank für jede bereitgestellte Arbeit 1 J 1 J Wärme aus dem kalten Raum transportiert. Ein Heiz-COP von 2.0 (Wärmepumpenmodus) bedeutet, dass pro 1 J Arbeit 2 J Wärme an den warmen Raum abgegeben wird. Erklären Sie, warum COP_heat für die gleichen Reservoirs immer genau 1 größer ist als COP_cool.
• Im Gegensatz zum Motorwirkungsgrad (immer ≤ 1) kann der COP 1 überschreiten – das stellt keinen Verstoß gegen die Energieeinsparung dar. Erklären Sie, warum COP > 1 möglich ist: Die zusätzlich gelieferte Energie stammt aus der Kühlung des Reservoirs und wird nicht aus dem Nichts erzeugt.

• 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. Willkommen beim Carnot-Kühlschrank
2. Kammer auswählen
3. Abspielen drücken
4. Kühlschrank-Leistungszahl
5. Inspektor öffnen
6. Geschafft!

Öffnen Sie die interaktive Simulation, um die Szene aufzubauen, drücken Sie auf Play und erkunden Sie sie mit Live-Messungen und einem geführten Tutorial.

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Wärmekraftmaschinen & Carnot-Wirkungsgrad