Θερμοδυναμική

Κύκλος Otto

Ο κύκλος βενζινοκινητήρα: δύο αδιαβάτες + δύο ισόχωρες.

Κύκλος Otto — διαδραστική προσομοίωση Θερμοδυναμική. Ο κύκλος βενζινοκινητήρα: δύο αδιαβάτες + δύο ισόχωρες. Δωρεάν εικονικό εργαστήριο φυσικής στον φυλλομετρητή με ζωντανές μετρήσεις σε μονάδες SI και καθοδηγούμενο μάθημα.

Κύκλος Otto

Ο κύκλος βενζινομηχανής: δύο αδιαβατικές + δύο ισόχωρες.

Ο κύκλος Otto μοντελοποιεί μηχανή ανάφλεξης σπινθήρα: γρήγορη καύση σχεδόν σταθερού όγκου ανεβάζει την πίεση, ακολουθεί αδιαβατική διαστολή που παράγει έργο, και μετά εξάτμιση σε σταθερό όγκο. Είναι λιγότερο αποδοτικός από τον Carnot στα ίδια θερμοκρασιακά άκρα επειδή η θερμότητα προστίθεται σε μεταβαλλόμενη θερμοκρασία.

• η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
• Βενζινομηχανή

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

Ο κύκλος Otto (αδιαβατική συμπίεση, ισόχωρη θέρμανση, αδιαβατική διαστολή, ισόχωρη ψύξη) μοντελοποιεί βενζινομηχανή. Σε αντίθεση με τον κύκλο Carnot, δύο από τα σκέλη του είναι σε σταθερό όγκο αντί σταθερή θερμοκρασία. Κατά εκείνα τα ισόχωρα σκέλη, παράγει το αέριο κάποιο έργο;

Προβλέψεις προς σταθμίσει

• Έργο εξακολουθεί να παράγεται επειδή η πίεση αλλάζει κατά εκείνα τα σκέλη.
• Τα ισόχωρα σκέλη παράγουν αρνητικό έργο.
• Κανένα έργο δεν παράγεται κατά τα ισόχωρα σκέλη, αφού W = PΔV και ΔV = 0.

Ρόλοι μεταβλητών

Τι ρυθμίζεις:

• Αριθμός σκέλους

Τι μετράς:

• Όγκος-στόχος σκέλους V (m³)
• Έργο που παρήγαγε το αέριο σε αυτό το σκέλος (J)

Πώς εκτελείται η έρευνα

1. Άνοιξε την προεπιλογή otto-cycle και πάτησε Επαναφορά. 1 mol αζώτου (f = 5) συμπιέζεται από 0.04 m³ σε 0.01 m³, και μετά θερμαίνεται σε σταθερό όγκο έως 900 K.
2. Ενεργοποίησε τις ενδείξεις έργου και θερμότητας 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 κύκλου Otto — η = W / Qin

Για ιδανικοποιημένο κύκλο Otto, η απόδοση εξαρτάται μόνο από τον λόγο συμπίεσης r = V₁/V₂ και τον λόγο θερμοχωρητικότητας του αερίου γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Υψηλότεροι λόγοι συμπίεσης δίνουν υψηλότερη απόδοση.

Τι ζητά να επεξεργαστούν οι μαθητές το εκτυπώσιμο φύλλο εργασίας

• Επιβεβαίωσε ότι τα σκέλη 2 και 4 (τα ισόχωρα) δείχνουν W = 0 στον πίνακά σου, ενώ τα σκέλη 1 και 3 (αδιαβατικά) δείχνουν μη μηδενικό έργο. Υπολόγισε τον λόγο συμπίεσης r = V₁/V₂ = 4 και την απόδοση κύκλου η = 1 − 1/r^(γ−1) χρησιμοποιώντας γ = 1.4.
• Το καθαρό έργο αυτού του κύκλου είναι θετικό παρότι τα μισά σκέλη του παράγουν μηδενικό έργο. Εξήγησε πώς τα δύο αδιαβατικά σκέλη μόνα τους μπορούν να παράγουν καθαρή θετική έξοδο έργου.

Πού εμφανίζεται αυτό πέρα από το εργαστήριο

• Οι πραγματικές βενζινομηχανές περιορίζονται σε λόγους συμπίεσης γύρω στο 10-12 (υψηλότεροι λόγοι προκαλούν πρόωρη ανάφλεξη/χτύπημα). Χρησιμοποιώντας η = 1 − 1/r^(γ−1), εξήγησε γιατί οι σχεδιαστές μηχανών ωθούν προς υψηλότερους λόγους συμπίεσης όποτε είναι δυνατό.
• Μια πετρελαιομηχανή χρησιμοποιεί διαφορετικό κύκλο (ισοβαρή θέρμανση αντί ισόχωρη) αλλά παρόμοια ιδέα αδιαβατικής συμπίεσης. Και οι δύο βασίζονται σε αδιαβατικά σκέλη για να μετατρέψουν έργο συμπίεσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Γιατί η ελαχιστοποίηση απώλειας θερμότητας κατά τη συμπίεση είναι σημαντική και για τα δύο σχεδιασμούς;

• 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 Otto
2. Επίλεξε τον θάλαμο
3. Πάτησε Αναπαραγωγή
4. Κύκλος βενζινομηχανής
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