Thermodynamik
Otto-Kreisprozess
Ottomotor-Kreisprozess: zwei Adiabaten + zwei Isochoren.
Otto-Kreisprozess — interaktive Thermodynamik-Simulation. Ottomotor-Kreisprozess: zwei Adiabaten + zwei Isochoren. Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.
Otto-Kreisprozess
Der Benzinmotorkreisprozess: zwei Adiabaten plus zwei Isochoren.
Der Otto-Kreisprozess modelliert einen Fremdzündungsmotor: schnelle Verbrennung bei nahezu konstantem Volumen erhöht den Druck, gefolgt von adiabatischer Expansion mit Arbeitsverrichtung, dann Ausstoß bei konstantem Volumen. Er ist bei denselben Temperaturextremen weniger effizient als Carnot, weil Wärme bei unterschiedlicher Temperatur zugeführt wird.
- η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
- Ottomotor
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
Der Otto-Zyklus (adiabatische Kompression, isochore Erwärmung, adiabatische Expansion, isochore Abkühlung) modelliert einen Benzinmotor. Im Gegensatz zum Carnot-Zyklus haben zwei seiner Abschnitte ein konstantes Volumen und keine konstante Temperatur. Verrichtet das Gas während dieser Beine mit konstantem Volumen irgendeine Arbeit?
Vorhersagen zum Abwägen
- Es wird noch Arbeit verrichtet, weil sich der Druck während dieser Teilschritte ändert.
- Die Teilschritte mit konstantem Volumen leisten negative Arbeit.
- Während der Teilschritte mit konstantem Volumen wird keine Arbeit verrichtet, da W = PΔV und ΔV = 0 gilt.
Variable Rollen
Was Sie eingestellt haben:
- Teilschrittnummer
Was Sie messen:
- Zielvolumen des Teilschritts V (m³)
- Arbeit, die das Gas in diesem Teilschritt leistet (J)
Wie die Untersuchung abläuft
- Öffnen Sie das Preset „Otto-Kreisprozess“ und drücken Sie Zurücksetzen. 1 mol Stickstoff (f = 5) wird von 0.04 m³ auf 0.01 m³ komprimiert und dann bei konstantem Volumen auf 900 K erwärmt.
- Aktivieren Sie die Arbeits- und Wärmeanzeigen pro Teilschritt.
- 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
Otto-Zyklus-Effizienz — η = W / Qin
Für einen idealisierten Otto-Zyklus hängt der Wirkungsgrad nur vom Kompressionsverhältnis r = V₁/V₂ und dem Wärmekapazitätsverhältnis γ des Gases ab: η = 1 − 1/r^(γ−1). Höhere Verdichtungsverhältnisse sorgen für eine höhere Effizienz.
Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen
- Bestätigen Sie, dass die Teilschritte 2 und 4 (die isochoren Teilschritte) in Ihrer Tabelle W = 0 anzeigen, während die Teilschritte 1 und 3 (adiabatisch) Arbeit ungleich Null zeigen. Berechnen Sie das Kompressionsverhältnis r = V₁/V₂ = 4 und die Zykluseffizienz η = 1 − 1/r^(γ−1) mit γ = 1.4.
- Die Nettoarbeit dieses Zyklus ist positiv, obwohl die Hälfte seiner Teilschritte keine Arbeit leistet. Erklären Sie, wie die beiden adiabatischen Teilschritte allein eine positive Nettoarbeitsleistung erzeugen können.
Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird
- Echte Benzinmotoren sind auf Verdichtungsverhältnisse um 10-12 beschränkt (höhere Verhältnisse verursachen Vorzündungen/Klopfen). Erklären Sie anhand von η = 1 − 1/r^(γ−1), warum Motorenkonstrukteure nach Möglichkeit auf höhere Verdichtungsverhältnisse drängen.
- Ein Dieselmotor verwendet einen anderen Zyklus (isobare Erwärmung anstelle isochorischer Erwärmung), aber ein ähnliches Konzept der adiabatischen Kompression. Beide beruhen auf adiabatischen Beinen, um Kompressionsarbeit in höhere Temperaturen umzuwandeln. Warum ist die Minimierung des Wärmeverlusts während der Kompression für beide Designs wichtig?
- 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
- Willkommen beim Otto-Kreisprozess
- Kammer auswählen
- Abspielen drücken
- Benzinmotorkreisprozess
- Inspektor öffnen
- 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.
Wärmekraftmaschinen & Carnot-Wirkungsgrad