Termodynamiikka

Otton sykli

Bensiinimoottorin sykli: kaksi adiabaattia + kaksi isokooria.

Otton sykli – interaktiivinen Termodynamiikka-simulaatio. Bensiinimoottorin sykli: kaksi adiabaattia + kaksi isokooria. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Otton sykli

Bensiinimoottorin sykli: kaksi adiabaattia + kaksi isokooria.

Otton sykli mallintaa kipinäsytytteistä moottoria: nopea palaminen lähes vakiotilavuudessa nostaa painetta, jota seuraa adiabaattinen laajeneminen tehdessä työtä, sitten poisto vakiotilavuudessa. Se on vähemmän tehokas kuin Carnot samoilla lämpötilaäänenvaihtelujen ääripäillä, koska lämpöä lisätään vaihtelevassa lämpötilassa.

• η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
• Bensiinimoottori

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

Otton sykli (adiabaattinen tiivistys, isokoorinen lämmitys, adiabaattinen laajeneminen, isokoorinen jäähtyminen) mallintaa bensiinimoottoria. Toisin kuin Carnot'n syklissä, kaksi sen etapeista on vakiotilavuudessa vakiolämpötilan sijaan. Tekeekö kaasu mitään työtä niiden vakiotilavuusetappien aikana?

Punniteltavat ennusteet

• Työtä tehdään silti, koska paine muuttuu niiden etappien aikana.
• Vakiotilavuusetapit tekevät negatiivista työtä.
• Työtä ei tehdä vakiotilavuusetappien aikana, koska W = PΔV ja ΔV = 0.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Etapin numero

Mitä mittaat:

• Etapin tavoitetilavuus V (m³)
• Kaasun tekemä työ tällä etapilla (J)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa Otton sykli -esiasetus ja paina Nollaa. 1 mol typpeä (f = 5) tiivistyy arvosta 0.04 m³ arvoon 0.01 m³, sitten lämpenee vakiotilavuudessa arvoon 900 K.
2. Ota käyttöön etappikohtaiset työ- ja lämpölukemat.
3. Jokaiselle syklin etapille (1–4) lue etapin tavoitetilavuus ja kaasun tekemä työ sen etapin aikana.

Hallitseva yhtälö

Otton syklin hyötysuhde — η = W / Qin

Ideaalistetulle Otton syklille hyötysuhde riippuu vain tiivistyssuhteesta r = V₁/V₂ ja kaasun lämpökapasiteettisuhteesta γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Korkeammat tiivistyssuhteet antavat korkeamman hyötysuhteen.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Varmenna, että etapit 2 ja 4 (isokooriset) näyttävät W = 0 taulukossasi, kun taas etapit 1 ja 3 (adiabaattiset) näyttävät nollasta poikkeavan työn. Laske tiivistyssuhde r = V₁/V₂ = 4 ja syklin hyötysuhde η = 1 − 1/r^(γ−1) arvolla γ = 1.4.
• Tämän syklin nettotyö on positiivinen, vaikka puolet sen etapeista tekee nolla työtä. Selitä, miten kaksi adiabaattista etappia yksinään voi tuottaa nettopositiivisen työtulosteen.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Todelliset bensiinimoottorit on rajoitettu tiivistyssuhteisiin noin 10-12 (korkeammat suhteet aiheuttavat esisytyksen/koputtamisen). Käyttäen kaavaa η = 1 − 1/r^(γ−1) selitä, miksi moottorisuunnittelijat työntävät korkeampia tiivistyssuhteita, kun mahdollista.
• Dieselmoottori käyttää eri sykliä (isobaarinen lämmitys isokoorisen sijaan) mutta samankaltaista adiabaattisen tiivistyksen ideaa. Molemmat nojaavat adiabaattisiin etappeihin muuntamaan tiivistystyön korkeammiksi lämpötiloiksi. Miksi lämmönhukan minimoiminen tiivistyksen aikana on tärkeää molemmille suunnittelulle?

• 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 Otton sykliin
2. Valitse kammio
3. Paina Toista
4. Bensiinimoottorin sykli
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