Θερμοδυναμική

Ψυγείο (αντιστραμμένος Carnot)

Λειτουργία ανάποδα: το έργο που εισάγεται αντλεί θερμότητα από κρύο σε ζεστό (COP = Tc/(Th−Tc)).

Ψυγείο (αντιστραμμένος Carnot) — διαδραστική προσομοίωση Θερμοδυναμική. Λειτουργία ανάποδα: το έργο που εισάγεται αντλεί θερμότητα από κρύο σε ζεστό (COP = Tc/(Th−Tc)). Δωρεάν εικονικό εργαστήριο φυσικής στον φυλλομετρητή με ζωντανές μετρήσεις σε μονάδες SI και καθοδηγούμενο μάθημα.

COP ψυγείου

Λειτουργία αντίστροφα: έργο εισόδου αντλεί θερμότητα κρύο→ζεστό (COP = Tc/(Th−Tc)).

Ένα ψυγείο είναι θερμική μηχανή που τρέχει ανάποδα: ηλεκτρικό έργο κινεί θερμότητα από το κρύο εσωτερικό στο ζεστό δωμάτιο. Ο συντελεστής απόδοσης COP = Q_c/W μπορεί να υπερβεί το 1 επειδή η αντλούμενη θερμότητα είναι μεγαλύτερη από το παρεχόμενο έργο — σε αντίθεση με την απόδοση, που είναι πάντα ≤ 1.

• COP = T_c/(T_h−T_c)
• Έργο εισόδου

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

Η λειτουργία του κύκλου Carnot προς τα πίσω μετατρέπει μηχανή σε ψυγείο — καθαρό έργο ΜΠΑΙΝΕΙ αντί να βγαίνει. Απορροφά το αέριο ακόμη θερμότητα από την κρύα δεξαμενή, όπως πραγματικό ψυγείο τραβά θερμότητα από το εσωτερικό του;

Προβλέψεις προς σταθμίσει

• Όχι — η αντιστροφή του κύκλου αντιστρέφει επίσης ποια δεξαμενή απορροφά θερμότητα.
• Αντιστραμμένος κύκλος δεν ανταλλάσσει θερμότητα με καμία δεξαμενή.
• Ναι — ο αντιστραμμένος κύκλος απορροφά θερμότητα από την κρύα πλευρά και αποθέτει περισσότερη θερμότητα στη ζεστή πλευρά, χρησιμοποιώντας το έργο εισόδου για να το κάνει.

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-fridge και πάτησε Επαναφορά. Τα ίδια 4 σκέλη με τον carnot-cycle τρέχουν σε αντίστροφη σειρά.
2. Ενεργοποίησε την ένδειξη έργου ανά σκέλος, και τις ενδείξεις COP ψύξης/θέρμανσης.
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

Συντελεστής απόδοσης ψυγείου — COP = Tc / (Th − Tc)

Η ψυκτική απόδοση αντιστραμμένου κύκλου Carnot μετράται με COP_cool = Tc/(Th − Tc): πόση θερμότητα αφαιρείται από τον κρύο χώρο ανά μονάδα παρεχόμενου έργου. Μικρότερα θερμοκρασιακά κενά δίνουν καλύτερο (υψηλότερο) COP.

Τι ζητά να επεξεργαστούν οι μαθητές το εκτυπώσιμο φύλλο εργασίας

• Άθροισε τις τιμές έργου των 4 σκέλων σου — το σύνολο (καθαρό έργο ΑΠΟ το αέριο) πρέπει να βγει αρνητικό, σημαίνοντας ότι καθαρό έργο πρέπει να παρέχεται ΣΤΟ αέριο. Υπολόγισε το COP ψύξης = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 και το COP θέρμανσης = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Σύγκρινε τη σειρά σκελών εδώ με τη σειρά σκελών του carnot-cycle. Εξήγησε πώς η απλή αντιστροφή της σειράς των ίδιων 4 σκελών γυρνά τον κύκλο από μηχανή (καθαρό έργο έξω) σε ψυγείο (καθαρό έργο μέσα).

Πού εμφανίζεται αυτό πέρα από το εργαστήριο

• COP ψύξης 1.0 σημαίνει ότι το ψυγείο μετακινεί 1 J θερμότητας έξω από τον κρύο χώρο για κάθε 1 J έργου που παρέχεται. COP θέρμανσης 2.0 (λειτουργία αντλίας θερμότητας) σημαίνει ότι παραδίδει 2 J θερμότητας στον ζεστό χώρο ανά 1 J έργου. Εξήγησε γιατί το COP_heat είναι πάντα ακριβώς 1 περισσότερο από το COP_cool για τις ίδιες δεξαμενές.
• Σε αντίθεση με την απόδοση μηχανής (πάντα ≤ 1), το COP μπορεί να υπερβεί το 1 — δεν πρόκειται για παραβίαση της διατήρησης ενέργειας. Εξήγησε γιατί είναι δυνατό COP > 1: η επιπλέον παραδιδόμενη ενέργεια προέρχεται από τη δεξαμενή που ψύχεται, δεν δημιουργείται από το τίποτα.

• 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 στο Ψυγείο Carnot
2. Επίλεξε τον θάλαμο
3. Πάτησε Αναπαραγωγή
4. COP ψυγείου
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