Θερμοδυναμική

Κύκλος Stirling

Δύο ισόθερμες + δύο ισόχωρες με αναγέννηση.

Κύκλος Stirling — διαδραστική προσομοίωση Θερμοδυναμική. Δύο ισόθερμες + δύο ισόχωρες με αναγέννηση. Δωρεάν εικονικό εργαστήριο φυσικής στον φυλλομετρητή με ζωντανές μετρήσεις σε μονάδες SI και καθοδηγούμενο μάθημα.

Κύκλος Stirling

Δύο ισόθερμες + δύο ισόχωρες με αναγέννηση.

Ο κύκλος Stirling χρησιμοποιεί αναγεννητή για να αποθηκεύει θερμότητα κατά τα βήματα σταθερού όγκου και να την επιστρέφει αργότερα, πλησιάζοντας απόδοση τύπου Carnot σε ιδανικό σχεδιασμό. Οι πραγματικές μηχανές Stirling ανταλλάσσουν πολυπλοκότητα για πιο αθόρυβη λειτουργία και ευέλικτες πηγές θερμότητας.

• Δύο ισόθερμες + αναγέννηση
• η_Carnot στο ιδανικό όριο

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 Stirling χρησιμοποιεί 2 ισόθερμα σκέλη και 2 ισόχωρα σκέλη, καθόλου αδιαβατικά σκέλη. Η απόδοσή του μπορεί σε αρχή να ταιριάξει την τιμή Carnot αν ένα τέλειο «αναγεννητικό» ανακυκλώνει θερμότητα μεταξύ των ισόχωρων σκελών. Χωρίς ιδανικό αναγεννητή, υστερεί η απλή απόδοση κύκλου που μετράς του ορίου Carnot;

Προβλέψεις προς σταθμίσει

• Ναι — χωρίς αναγεννητή, η ακατέργαστη απόδοση αυτού του κύκλου είναι κάτω από το όριο Carnot για τις ίδιες δύο θερμοκρασίες δεξαμενών.
• Η απόδοση ισούται ακριβώς με το όριο Carnot ανεξαρτήτως αναγέννησης.
• Η απόδοση υπερβαίνει το όριο Carnot.

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 stirling-cycle και πάτησε Επαναφορά. 1 mol αργού κυκλοφορεί μεταξύ 600 K και 300 K χρησιμοποιώντας μόνο ισόθερμα και ισόχωρα σκέλη.
2. Ενεργοποίησε την ένδειξη έργου ανά σκέλος και την ένδειξη απόδοσης κύκλου.
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

Όριο Carnot στην απόδοση κύκλου — η_c = 1 − Tc / Th

Κανένας κύκλος που λειτουργεί μεταξύ θερμοκρασιών Tc και Th — συμπεριλαμβανομένου του Stirling — δεν μπορεί να υπερβεί την απόδοση Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Ένας πραγματικός (μη-αναγεννημένος) κύκλος Stirling υστερεί αυτού του ορίου επειδή αποθέτει μη ανακτηθείσα θερμότητα κατά το ισόχωρο-ψύξης σκέλος του.

Τι ζητά να επεξεργαστούν οι μαθητές το εκτυπώσιμο φύλλο εργασίας

• Επιβεβαίωσε ότι τα σκέλη 2 και 4 (ισόχωρα) δείχνουν W = 0. Άθροισε το έργο και των 4 σκελών για το καθαρό έργο κύκλου, και σύγκρινε την ένδειξη απόδοσης κύκλου με το όριο Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Η ακατέργαστη απόδοση αυτού του κύκλου (χωρίς ιδανικό αναγεννητή που ανακτά τη θερμότητα των ισόχωρων σκελών) μένει κάτω από 0.5. Εξήγησε, χρησιμοποιώντας τον πρώτο νόμο, γιατί η θερμότητα που αποτίθεται κατά το ισόχωρο-ψύξης σκέλος αναπαριστά ενέργεια που η απλή μηχανή δεν ανακτά.

Πού εμφανίζεται αυτό πέρα από το εργαστήριο

• Μια πραγματική μηχανή Stirling χρησιμοποιεί αναγεννητή — πλέγμα που αποθηκεύει τη θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την ισόχωρη ψύξη και την επιστρέφει κατά την ισόχωρη θέρμανση. Εξήγησε γιατί ένας τέλειος αναγεννητής θα άφηνε αυτόν τον κύκλο να πλησιάσει την απόδοση Carnot χωρίς καν αδιαβατικά σκέλη.
• Οι μηχανές Stirling εκτιμώνται για τη λειτουργία τους με οποιαδήποτε εξωτερική πηγή θερμότητας (ηλιακή, απορριπτόμενη θερμότητα, ακόμη θερμοκρασιακές διαφορές στο διάστημα) αντί να απαιτούν εσωτερική καύση. Γιατί ένας κλειστού-κύκλου μηχανή με εξωτερική θέρμανση μπορεί να είναι ελκυστική για εκείνες τις εφαρμογές;

• 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 Stirling
2. Επίλεξε τον θάλαμο
3. Πάτησε Αναπαραγωγή
4. Αναγεννητικός κύκλος
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