ترمودینامیک
چرخهٔ کارنو
کارآمدترین چرخه: η = 1 − Tc/Th.
چرخهٔ کارنو — شبیهسازی تعاملی ترمودینامیک. کارآمدترین چرخه: η = 1 − Tc/Th. آزمایشگاه مجازی فیزیکِ رایگانِ مرورگری با اندازهگیریهای زندهٔ SI و آموزش هدایتشده.
بازده کارنو
کارآمدترین چرخه: η = 1 − Tc/Th.
موتور کارنو بهطور بازگشتپذیر بین دو مخزن کار میکند. هر پایه یا همدماست (تبادل گرما در دمای ثابت) یا آدیاباتیک (بدون گرما). هیچ موتور واقعی نمیتواند از این بازده فراتر رود چون برگشتناپذیری انرژی مفید را بهصورت تولید آنتروپی هدر میدهد.
- η = 1 − T_c/T_h
- بیشینهٔ η
خلاصهٔ پژوهش
پرسش را پیش از بازکردن آزمایشگاه برنامهریزی کنید
این خلاصه همان صفحهٔ از پیش رندرشده است: پرسش محوری، پیشبینیهای رقیب، نقش متغیرها، قوانین حاکم، برپاسازی، تحلیل و پرسشهای گسترش — به همین ترتیب و همیشه در دید میمانند.
پرسش محوری
موتور کارنو گاز را از 4 گام (انبساط همدما، انبساط بیدررو، تراکم همدما، تراکم بیدررو) به حالت آغازین برمیگرداند. آیا انرژی درونی گاز روی یک دور کامل تغییر میکند؟
پیشبینیهایی که باید سنجیده شوند
- انرژی درونی روی چرخه زیاد میشود، چون گاز کار خالص مثبت میکند.
- انرژی درونی به مقدار آغازینش برمیگردد — تغییر خالص صفر روی چرخهٔ بسته.
- انرژی درونی روی چرخه کم میشود.
نقش متغیرها
آنچه شما تنظیم میکنید:
- شمارهٔ گام
آنچه اندازه میگیرید:
- حجم هدف گام V (L)
- کار گاز در این گام (J)
پژوهش چگونه اجرا میشود
- پیشتنظیمی carnot-cycle را باز کنید و Reset را بفشارید. 1 mol آرگون (f = 3) میان مخزن گرم 600 K و مخزن سرد 300 K در چرخه است.
- قرائت کارِ هر گام را فعال کنید.
- برای هر گام چرخه (1 تا 4)، حجم هدف گام و کارِ گاز در آن گام را بخوانید.
معادلهٔ حاکم
بازده کارنو — η_c = 1 − Tc / Th
بیشترین بازده ممکن هر موتور گرمایی که میان مخزن گرم Th و مخزن سرد Tc کار میکند فقط به نسبت دمای آنها بستگی دارد: η_c = 1 − Tc/Th.
برگهٔ کار چاپی از دانشآموزان چه میخواهد به دست آورند
- مقادیر کار 4 گام خود را جمع کنید. مجموع را با nR(Th − Tc)·ln(2) مقایسه کنید (تقریباً، برای نسبتهای حجم این چرخه)، و بازده چرخه η = W_net/Qin را با مقدار کارنو η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5 مقایسه کنید.
- دو گام کار مثبت دارند (انبساط) و دو گام کار منفی (تراکم). توضیح دهید چرا کار «خالص» روی کل چرخه همچنان مثبت است و این را به موتور گرمایی بدل میکند نه حلقهٔ بیفایده.
کجا غیر از آزمایشگاه خودش را نشان میدهد
- هیچ موتور واقعی که بین همان دو دمای مخزن کار میکند نمیتواند از بازده کارنو فراتر رود. با η_c = 1 − Tc/Th توضیح دهید چرا موتور تنها در صورتی به بازده 100% میرسد که Tc = 0 K باشد — که از نظر فیزیکی دستیافتنی نیست.
- چرخهٔ کارنو کامل از گامهای بازگشتپذیر ساخته شده (همدما و بیدررو، هر دو تا حد ایدهآل بینهایت کند). توضیح دهید چرا موتور واقعی، که ناگزیر اصطکاک و انتقال گرمای با تندی متناهی دارد، هرگز به این بازده ایدهآل نمیرسد.
- 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
- به چرخهٔ کارنو خوش آمدید
- انتخاب محفظه
- Play را بفشارید
- بیشینهٔ بازده
- پنل ویژگیها را باز کنید
- انجامش دادید!
شبیهسازی تعاملی را باز کنید تا صحنه را بسازید، Play را بفشارید و با اندازهگیریهای زنده و آموزش هدایتشده کاوش کنید.