Θερμοδυναμική

Κύκλος Carnot

Ο πιο αποδοτικός κύκλος: η = 1 − Tc/Th.

Κύκλος Carnot — διαδραστική προσομοίωση Θερμοδυναμική. Ο πιο αποδοτικός κύκλος: η = 1 − Tc/Th. Δωρεάν εικονικό εργαστήριο φυσικής στον φυλλομετρητή με ζωντανές μετρήσεις σε μονάδες SI και καθοδηγούμενο μάθημα.

Απόδοση Carnot

Ο πιο αποδοτικός κύκλος: η = 1 − Tc/Th.

Μια μηχανή Carnot λειτουργεί αντιστρέψιμα μεταξύ δύο δεξαμενών. Κάθε σκέλος είναι είτε ισόθερμο (ανταλλαγή θερμότητας σε σταθερή T) είτε αδιαβατικό (χωρίς θερμότητα). Καμία πραγματική μηχανή δεν μπορεί να ξεπεράσει αυτή την απόδοση επειδή η μη αντιστρεψιμότητα σπαταλά χρήσιμη ενέργεια ως παραγωγή εντροπίας.

• η = 1 − T_c/T_h
• Μέγιστη η

Σύνοψη έρευνας

Σχεδίασε την ερώτηση πριν ανοίξεις το εργαστήριο

Η σύνοψη κατοπτρίζει την προαποτυπωμένη σελίδα: η βασική ερώτηση, οι αντικρουόμενες προβλέψεις, οι ρόλοι των μεταβλητών, οι κύριοι νόμοι, η διάταξη, η ανάλυση και οι προεκτάσεις παραμένουν ορατά και με αυτή τη σειρά.

Βασική ερώτηση

Μηχανή Carnot οδηγεί αέριο μέσα από 4 σκέλη (ισόθερμη διαστολή, αδιαβατική διαστολή, ισόθερμη συμπίεση, αδιαβατική συμπίεση) πίσω στην αρχική του κατάσταση. Αλλάζει η εσωτερική ενέργεια του αερίου σε έναν πλήρη κύκλο;

Προβλέψεις προς σταθμίσει

• Η εσωτερική ενέργεια μεγαλώνει στον κύκλο, αφού το αέριο παράγει καθαρό θετικό έργο.
• Η εσωτερική ενέργεια επιστρέφει στην αρχική της τιμή — μηδενική καθαρή μεταβολή σε κλειστό κύκλο.
• Η εσωτερική ενέργεια μειώνεται στον κύκλο.

Ρόλοι μεταβλητών

Τι ρυθμίζεις:

• Αριθμός σκέλους

Τι μετράς:

• Όγκος-στόχος σκέλους V (L)
• Έργο που παρήγαγε το αέριο σε αυτό το σκέλος (J)

Πώς εκτελείται η έρευνα

1. Άνοιξε την προεπιλογή carnot-cycle και πάτησε Επαναφορά. 1 mol αργού (f = 3) κυκλοφορεί μεταξύ ζεστής δεξαμενής 600 K και κρύας δεξαμενής 300 K.
2. Ενεργοποίησε την ένδειξη έργου ανά σκέλος.
3. Για κάθε σκέλος του κύκλου (1 έως 4), διάβασε τον όγκο-στόχο του σκέλους και το έργο που παρήγαγε το αέριο κατά αυτό το σκέλος.

Κυρίαρχη εξίσωση

Απόδοση Carnot — η_c = 1 − Tc / Th

Η μέγιστη δυνατή απόδοση οποιασδήποτε θερμικής μηχανής που λειτουργεί μεταξύ ζεστής δεξαμενής Th και κρύας δεξαμενής Tc εξαρτάται μόνο από τον λόγο θερμοκρασιών τους: η_c = 1 − Tc/Th.

Τι ζητά να επεξεργαστούν οι μαθητές το εκτυπώσιμο φύλλο εργασίας

• Προσθέσε τις τιμές έργου των 4 σκέλων σου. Σύγκρινε το σύνολο με το nR(Th − Tc)·ln(2) (κατά προσέγγιση, για τους λόγους όγκων αυτού του κύκλου), και σύγκρινε την απόδοση του κύκλου η = W_net/Qin με την τιμή Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Δύο σκέλη έχουν θετικό έργο (διαστολή) και δύο αρνητικό έργο (συμπίεση). Εξήγησε γιατί το *καθαρό* έργο σε όλο τον κύκλο εξακολουθεί να είναι θετικό, καθιστώντας το θερμική μηχανή και όχι βρόχο που δεν κάνει τίποτα.

Πού εμφανίζεται αυτό πέρα από το εργαστήριο

• Καμία πραγματική μηχανή που λειτουργεί μεταξύ των ίδιων δύο θερμοκρασιών δεξαμενών δεν μπορεί να νικήσει την απόδοση Carnot. Εξήγησε, χρησιμοποιώντας η_c = 1 − Tc/Th, γιατί μια μηχανή θα έφτανε 100% απόδοση μόνο αν Tc = 0 K — φυσικά απρόσιτο.
• Ο κύκλος Carnot χτίζεται εξ ολοκλήρου από αντιστρέψιμα βήματα (ισόθερμα και αδιαβατικά, και τα δύο ιδανικοποιημένα ως απειροστό αργά). Εξήγησε γιατί μια πραγματική μηχανή, που αναπόφευκτα έχει τριβή και μεταφορά θερμότητας πεπερασμένης ταχύτητας, δεν μπορεί ποτέ να φτάσει ακριβώς αυτή την ιδανική απόδοση.

• 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. Καλώς όρισες στον Κύκλο Carnot
2. Επίλεξε τον θάλαμο
3. Πάτησε Αναπαραγωγή
4. Μέγιστη απόδοση
5. Άνοιξε το πάνελ Ιδιότητες
6. Το κατάφερες!

Άνοιξε τη διαδραστική προσομοίωση για να χτίσεις τη σκηνή, πάτησε Αναπαραγωγή και εξερεύνησε με ζωντανές μετρήσεις και καθοδηγούμενο μάθημα.

Άνοιγμα Διαδραστικού Εργαστηρίου →

Λήψη φύλλου εργασίας →

Θερμικές μηχανές και απόδοση Carnot