ترمودینامیک
چرخهٔ استرلینگ
دو همدما + دو همحجم با بازیابی.
چرخهٔ استرلینگ — شبیهسازی تعاملی ترمودینامیک. دو همدما + دو همحجم با بازیابی. آزمایشگاه مجازی فیزیکِ رایگانِ مرورگری با اندازهگیریهای زندهٔ SI و آموزش هدایتشده.
چرخهٔ استرلینگ
دو همدما + دو همحجم با بازیابی.
چرخهٔ استرلینگ با بازیابی، گرما را در گامهای همحجم ذخیره و بعد پس میدهد و در طراحی ایدهآل به کارکردی کارنوگونه میرسد. موتورهای استرلینگ واقعی پیچیدگی را با کارکرد آرامتر و منابع گرمای انعطافپذیر معامله میکنند.
- دو همدما + بازیابی
- η_Carnot در حد ایدهآل
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
چرخهٔ استرلینگ 2 گام همدما و 2 گام همحجم دارد و اصلاً بیدررو ندارد. بازدهاش بهطور اصولی میتواند به مقدار کارنو برسد اگر «بازیابیِ» کامل گرما را میان گامهای همحجم بازیافت کند. بدون بازیاب ایدهآل، آیا بازده خام چرخهای که اندازه میگیرید از حد کارنو عقب میماند؟
پیشبینیهایی که باید سنجیده شوند
- بله — بدون بازیاب، بازده خام این چرخه برای همان دو دمای مخزن زیر حد کارنو است.
- بازده دقیقاً برابر حد کارنو است، مستقل از بازیابی.
- بازده از حد کارنو فراتر میرود.
نقش متغیرها
آنچه شما تنظیم میکنید:
- شمارهٔ گام
آنچه اندازه میگیرید:
- حجم هدف گام V (m³)
- کار گاز در این گام (J)
پژوهش چگونه اجرا میشود
- پیشتنظیم چرخهٔ استرلینگ را باز کنید و Reset بزنید. 1 مول آرگون میان 600 K و 300 K فقط با گامهای همدما و همحجم میچرخد.
- قرائت کارِ هر گام و قرائت بازده چرخه را فعال کنید.
- برای هر گام چرخه (1 تا 4)، حجم هدف گام و کارِ گاز در آن گام را بخوانید.
معادلهٔ حاکم
حد کارنو بر بازده چرخه — η_c = 1 − Tc / Th
هیچ چرخهای که بین دماهای Tc و Th کار میکند — از جمله استرلینگ — نمیتواند از بازده کارنو η_c = 1 − Tc/Th فراتر رود. چرخهٔ استرلینگ واقعی (بدون بازیاب) به این حد نمیرسد زیرا در گام سرمایش همحجم خود، گرمای بازیافتنشده را دور میریزد.
برگهٔ کار چاپی از دانشآموزان چه میخواهد به دست آورند
- تأیید کنید گامهای 2 و 4 (همحجم) W = 0 نشان میدهند. کار هر 4 گام را برای کار خالص چرخه جمع کنید و قرائت بازده چرخه را با حد کارنو η_c = 1 − 300/600 = 0.5 مقایسه کنید.
- بازده خام این چرخه (بدون بازیابِ ایدهآل که گرمای گامهای همحجم را بازگرداند) زیر 0.5 میماند. با قانون اول توضیح دهید چرا گرمای ریختهشده در گام سرمایش همحجم، انرژیای است که موتور ساده بازیابی نمیکند.
کجا غیر از آزمایشگاه خودش را نشان میدهد
- موتور استرلینگ واقعی بازیابی به کار میبرد — توریای که گرمای آزادشده در سرمایش همحجم را ذخیره و در گرمایش همحجم پس میدهد. توضیح دهید چرا بازیاب کامل اجازه میدهد این چرخه حتی بیگام بیدررو به بازده کارنو نزدیک شود.
- موتورهای استرلینگ برای همین ارزشمندند که با هر منبع گرمای بیرونی (خورشید، گرمای اتلافی، حتی اختلاف دمای فضا) کار میکنند و احتراق داخلی نمیخواهند. چرا موتور چرخهبسته با گرمایش بیرونی برای این کاربردها جذاب است؟
- 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 استرلینگ خوش آمدید
- انتخاب اتاقک
- Play را بفشارید
- چرخهٔ بازیاب
- 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.