Otto tsükkel: bensiinimootori idealiseeritud mudel
1 · Ennusta
Otto tsükkel (adiaabaatiline kokkusurumine, isohooriline soojendamine, adiaabaatiline paisumine, isohooriline jahutamine) modelleerib bensiinimootorit. Erinevalt Carnot' tsüklist on kaks tema takti konstantse ruumalaga pigem kui konstantse temperatuuriga. Kas nende konstantse ruumalaga taktide jooksul gaas tööd teeb?
- Tööd tehakse ikkagi, sest rõhk muutub nende taktide jooksul.
- Konstantse ruumalaga taktid teevad negatiivset tööd.
- Konstantse ruumalaga taktide jooksul tööd ei tehta, sest W = PΔV ja ΔV = 0.
2 · Seadista
- Ava Otto tsükli eelseadistus ja vajuta Lähtesta. 1 mol lämmastikku (f = 5) surutakse kokku 40 L-lt 10 L-le, seejärel soojeneb konstantsel ruumalal 900 K-ni.
- Lülita sisse taktide kaupa töö ja soojuse näidud.
- Loe tsükli iga takti (1 kuni 4) jaoks välja takti sihtruumala ja gaasi poolt selles taktis tehtud töö.
3 · Kogu andmeid
| Takti number | Takti sihtruumala V (L) | Gaasi töö selles taktis (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Visanda kõigi 4 takti jaoks P-V diagramm. Märgi, millised taktid on konstantse ruumalaga (vertikaalsed) lõigud, ja kinnita, et sinu töönäidud on seal 0.
4 · Analüüsi
- Kinnita, et taktid 2 ja 4 (isohoorilised) näitavad sinu tabelis W = 0, samas kui taktid 1 ja 3 (adiaabaatilised) näitavad nullist erinevat tööd. Arvuta surveaste r = V₁/V₂ = 4 ja tsükli kasutegur η = 1 − 1/r^(γ−1), kasutades γ = 1.4.
- Selle tsükli netotöö on positiivne, kuigi pool tema taktidest teeb nulltööd. Selgita, kuidas kaks adiaabaatilist takti üksi suudavad anda positiivse neto väljundtöö.
5 · Laienda
- Päris bensiinimootorid on piiratud surveastmetega umbes 10–12 (kõrgemad astmed põhjustavad eelsüütust/kopsumist). Kasutades η = 1 − 1/r^(γ−1), selgita, miks mootorikonstruktorid taotlevad võimalusel kõrgemaid surveastmeid.
- Diiselmootor kasutab teistsugust tsüklit (isohoorilise soojendamise asemel isobaariline), aga sarnast adiaabaatilise kokkusurumise ideed. Mõlemad tuginevad adiaabaatilistele taktidele, et muuta kokkusurumistöö kõrgemateks temperatuurideks. Miks on soojuskao minimeerimine kokkusurumise ajal mõlema disaini jaoks tähtis?
Selle eksperimendi füüsika
Otto tsükli kasutegur
Mootori mõõdetud kasutegur on η = W/Q_in — võrgutöö ühiku neelatud soojuse kohta; just seda näitab tsiteeritud valem ja seda arvutab teie andmetabel. Idealiseeritud Otto tsükli puhul sõltub kasutegur ainult pakkumissuhtest r = V₁/V₂ ja soojusmahtuvuse suhtest γ: η = 1 − 1/r^(γ−1) — suurem pakkumine, suurem kasutegur.
Termodünaamika
- Ideaalgaasi seadus: rõhk, ruumala ja temperatuur
- Kineetiline teooria: temperatuur ja molekulide kiirus
- Isoteremiline kokkusurumine: konstantsel temperatuuril tehtav töö
- Isobaariline soojendamine: paisumine konstantsel rõhul
- Isohooriline soojendamine: rõhu tõus konstantsel ruumalal
- Adiaabaatiline paisumine: jahtumine ilma soojust kaotamata
- Kalorimeetria: kuuma ja külma segamine
- Soojusjuhtimine: soojusevool läbi vard
- Carnot' tsükkel: suurim võimalik masina kasutegur
- Pööratud Carnot' tsükkel: külmik
- Stirlingi tsükkel: isoteremilised taktid regeneratsiooniga
- Entroopia muutus pööratavas isoteremilises paisumises