Termodynamiikka

Carnot'n sykli

Tehokkain sykli: η = 1 − Tc/Th.

Carnot'n sykli – interaktiivinen Termodynamiikka-simulaatio. Tehokkain sykli: η = 1 − Tc/Th. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Carnot'n hyötysuhde

Tehokkain sykli: η = 1 − Tc/Th.

Carnot'n moottori toimii käänteisesti kahden säiliön välillä. Jokainen etappi on joko isoterminen (lämmönvaihto vakiolämpötilassa) tai adiabaattinen (ei lämpöä). Mikään todellinen moottori ei voi ylittää tätä hyötysuhdetta, koska irreversibiliteetti hukuttaa hyötyenergiaa entropian tuottona.

• η = 1 − T_c/T_h
• Suurin η

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

Carnot'n moottori kuljettaa kaasun 4 etapin läpi (isoterminen laajeneminen, adiabaattinen laajeneminen, isoterminen tiivistys, adiabaattinen tiivistys) takaisin lähtötilaan. Muuttuuko kaasun sisäenergia yhden täyden syklin yli?

Punniteltavat ennusteet

• Sisäenergia kasvaa syklin yli, koska kaasu tekee nett positiivista työtä.
• Sisäenergia palaa lähtöarvoonsa – nolla nettomuutos suljetun syklin yli.
• Sisäenergia laskee syklin yli.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Etapin numero

Mitä mittaat:

• Etapin tavoitetilavuus V (L)
• Kaasun tekemä työ tällä etapilla (J)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa Carnot'n sykli -esiasetus ja paina Nollaa. 1 mol argonia (f = 3) kiertää 600 K kuumasäiliön ja 300 K kylmäsäiliön välillä.
2. Ota käyttöön etappikohtainen työ-lukema.
3. Jokaiselle syklin etapille (1–4) lue etapin tavoitetilavuus ja kaasun tekemä työ sen etapin aikana.

Hallitseva yhtälö

Carnot'n hyötysuhde — η_c = 1 − Tc / Th

Suurin mahdollinen hyötysuhde mille tahansa lämpökoneelle, joka toimii kuumasäiliön Th ja kylmäsäiliön Tc välillä, riippuu vain niiden lämpötilasuhteesta: η_c = 1 − Tc/Th.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Summaa 4 etappisi työt. Vertaa kokonaissummaa arvoon nR(Th − Tc)·ln(2) (likimain, tämän syklin tilavuussuhteille) ja vertaa syklin hyötysuhdetta η = W_net/Qin Carnot'n arvoon η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Kaksi etappia tekee positiivista työtä (laajeneminen) ja kaksi negatiivista työtä (tiivistys). Selitä, miksi koko syklin nettotyö on silti positiivinen, tehden tästä lämpökoneen eikä tyhjänä pyörivää silmukkaa.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Mikään todellinen moottori, joka toimii samojen kahden säiliölämpötilan välillä, ei voi voittaa Carnot'n hyötysuhdetta. Selitä kaavalla η_c = 1 − Tc/Th, miksi moottori saavuttaisi 100 % hyötysuhteen vain, jos Tc = 0 K – fyysisesti saavuttamaton.
• Carnot'n sykli rakentuu kokonaan käänteisistä vaiheista (isoterminen ja adiabaattinen, molemmat ideaalistettuina äärettömän hitaiksi). Selitä, miksi todellinen moottori, jolla väistämättä on kitkaa ja äärellisen nopeuden lämmönsiirtoa, ei voi koskaan ihan saavuttaa tätä ideaalihyötysuhdetta.

• 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. Tervetuloa Carnot'n sykliin
2. Valitse kammio
3. Paina Toista
4. Suurin hyötysuhde
5. Avaa Ominaisuudet-paneeli
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Lämpökoneet ja Carnot'n hyötysuhde