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.

Leitfrage

Der Otto-Zyklus (adiabatische Kompression, isochore Erwärmung, adiabatische Expansion, isochore Abkühlung) modelliert einen Benzinmotor. Im Gegensatz zum Carnot-Zyklus laufen zwei seiner Teilschritte bei konstantem Volumen statt bei konstanter Temperatur. Verrichtet das Gas während dieser isochoren Teilschritte 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 (L)
• Arbeit, die das Gas in diesem Teilschritt leistet (J)

Wie die Untersuchung abläuft

1. Öffnen Sie das Preset „Otto-Kreisprozess“ und drücken Sie Zurücksetzen. 1 mol Stickstoff (f = 5) wird von 40 L auf 10 L komprimiert und dann bei konstantem Volumen auf 900 K erwärmt.
2. Aktivieren Sie die Arbeits- und Wärmeanzeigen pro Teilschritt.
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

Otto-Zyklus-Effizienz — η = W / Qin

Der gemessene Wirkungsgrad des Motors ist η = W/Q_in — Nettoarbeit pro absorbierter Wärme; genau das zeigt die zitierte Formel und das berechnet Ihre Datentabelle. Für den idealisierten Otto-Zyklus hängt der Wirkungsgrad nur vom Verdichtungsverhältnis r = V₁/V₂ und dem Verhältnis der Wärmekapazitäten γ ab: η = 1 − 1/r^(γ−1) — höhere Verdichtung, höherer Wirkungsgrad.

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

1. Willkommen beim Otto-Kreisprozess
2. Kammer auswählen
3. Abspielen drücken
4. Benzinmotorkreisprozess
5. Eigenschaften-Panel 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