Thermodynamik

Stirling-Kreisprozess

Zwei Isothermen + zwei Isochoren mit Regeneration.

Stirling-Kreisprozess — interaktive Thermodynamik-Simulation. Zwei Isothermen + zwei Isochoren mit Regeneration. Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.

Stirling-Kreisprozess

Zwei Isothermen plus zwei Isochoren mit Regeneration.

Der Stirling-Kreisprozess nutzt einen Regenerator, um Wärme während der Schritte mit konstantem Volumen zu speichern und später zurückzugeben, wodurch er sich bei idealer Auslegung dem Carnot-Wirkungsgrad annähert. Reale Stirlingmotoren tauschen Komplexität gegen leiseren Betrieb und flexible Wärmequellen.

• Zwei Isothermen + Regeneration
• η_Carnot im idealen Grenzfall

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 Stirling-Zyklus verwendet 2 isotherme Teilschritte und 2 isochorische Teilschritte, überhaupt keine adiabatischen Teilschritte. Sein Wirkungsgrad kann im Prinzip dem Carnot-Wert entsprechen, wenn ein perfekter „Regenerator“ die Wärme zwischen den isochoren Teilschritten recycelt. Bleibt der von Ihnen gemessene einfache Zykluswirkungsgrad ohne einen idealen Regenerator hinter der Carnot-Grenze zurück?

Vorhersagen zum Abwägen

• Ja – ohne Regenerator liegt der Rohwirkungsgrad dieses Zyklus bei denselben beiden Reservoirtemperaturen unter der Carnot-Grenze.
• Der Wirkungsgrad entspricht unabhängig von der Regeneration genau der Carnot-Grenze.
• Der Wirkungsgrad überschreitet die Carnot-Grenze.

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

1. Öffnen Sie die Stirling-Zyklus-Preset und drücken Sie „Zurücksetzen“. 1 mol Argon zirkuliert zwischen 600 K und 300 K nur unter Verwendung isothermer und isochorer Zweige.
2. Aktivieren Sie die Arbeitsanzeige pro Teilschritt und die Zykluseffizienz-Anzeige.
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

Carnot-Grenze für Zykluseffizienz — η_c = 1 − Tc / Th

Kein Zyklus, der zwischen den Temperaturen Tc und Th läuft – Stirling eingeschlossen – kann den Carnot-Wirkungsgrad η_c = 1 − Tc/Th überschreiten. Ein echter (nicht regenerierter) Stirling-Zyklus erreicht diese Grenze nicht, da er während seines isochoren Kühlabschnitts nicht zurückgewonnene Wärme abgibt.

Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen

• Bestätigen Sie, dass die Teilschritte 2 und 4 (isochor) W = 0 zeigen. Summieren Sie die Arbeit aller 4 Teilschritte für die Nettozyklusarbeit.
• Der Rohwirkungsgrad dieses Zyklus (ohne einen idealen Regenerator, der die Wärme der isochoren Teilschritte zurückgewinnt) bleibt unter 0.5. Erklären Sie anhand des ersten Hauptsatzes, warum die während der isochoren Kühlung abgegebene Wärme Energie darstellt, die der einfache Motor nicht zurückgewinnt.

Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird

• Ein echter Stirlingmotor verwendet einen Regenerator – ein Netz, das die beim isochoren Abkühlen freigesetzte Wärme speichert und beim isochoren Erhitzen wieder zurückgibt. Erklären Sie, warum ein perfekter Regenerator diesen Zyklus auch ohne adiabatische Beine an die Carnot-Effizienz heranführen würde.
• Stirlingmotoren werden dafür geschätzt, dass sie mit jeder externen Wärmequelle (Solarenergie, Abwärme, sogar Temperaturunterschiede im Weltraum) betrieben werden, anstatt eine interne Verbrennung zu erfordern. Warum könnte ein Motor mit geschlossenem Kreislauf und externer Heizung für diese Anwendungen attraktiv sein?

• 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 Stirling-Kreisprozess
2. Kammer auswählen
3. Abspielen drücken
4. Regenerativer Kreisprozess
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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Arbeitsblatt herunterladen →

Wärmekraftmaschinen & Carnot-Wirkungsgrad