Termodynamiikka

Stirlingin sykli

Kaksi isotermiä + kaksi isokooria regeneraatiolla.

Stirlingin sykli – interaktiivinen Termodynamiikka-simulaatio. Kaksi isotermiä + kaksi isokooria regeneraatiolla. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Stirlingin sykli

Kaksi isotermiä + kaksi isokooria regeneraatiolla.

Stirlingin sykli käyttää regeneraattoria varastoimaan lämpöä vakiotilavuusvaiheissa ja palauttamaan sen myöhemmin, lähestyen Carnot'n kaltaista suorituskykyä ideaalissa suunnittelussa. Todelliset Stirling-moottorit vaihtavat monimutkaisuuden hiljaisempaan toimintaan ja joustaviin lämpölähteisiin.

• Kaksi isotermeä + regeneraatio
• η_Carnot ideaalirajassa

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

Stirlingin sykli käyttää 2 isotermeä etappia ja 2 isokoorista etappia, ei yhtään adiabaattista etappia. Sen hyötysuhde voi periaatteessa vastata Carnot'n arvoa, jos täydellinen ”regeneraattori” kierrättää lämpöä isokooristen etappien välillä. Ilman ideaalia regeneraattoria jääkö mittaamasi yksinkertaisen syklin hyötysuhde Carnot'n rajan alapuolelle?

Punniteltavat ennusteet

• Kyllä – ilman regeneraattoria tämän syklin raaka hyötysuhde on Carnot-rajan alapuolella samoille kahdelle säiliölämpötilalle.
• Hyötysuhde on täsmälleen yhtä suuri kuin Carnot-raja riippumatta regeneraatiosta.
• Hyötysuhde ylittää Carnot-rajan.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Etapin numero

Mitä mittaat:

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

Miten tutkimus etenee

1. Avaa Stirlingin sykli -esiasetus ja paina Nollaa. 1 mol argonia kiertää arvojen 600 K ja 300 K välillä käyttäen vain isotermejä ja isokoorisia etappeja.
2. Ota käyttöön etappikohtainen työ-lukema ja syklin hyötysuhteen lukema.
3. Jokaiselle syklin etapille (1–4) lue etapin tavoitetilavuus ja kaasun tekemä työ sen etapin aikana.

Hallitseva yhtälö

Carnot-raja syklin hyötysuhteelle — η_c = 1 − Tc / Th

Mikään sykli, joka toimii lämpötilojen Tc ja Th välillä – Stirling mukaan lukien – ei voi ylittää Carnot'n hyötysuhdetta η_c = 1 − Tc/Th. Todellinen (ei-regeneroitu) Stirlingin sykli jää tämän rajan alapuolelle, koska se dumppaa palautumatonta lämpöä isokoorisen jäähtymisetapin aikana.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Varmenna, että etapit 2 ja 4 (isokooriset) näyttävät W = 0. Summaa kaikkien 4 etapin työ nettosyklityöksi ja vertaa syklin hyötysuhteen lukemaa Carnot-rajaan η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Tämän syklin raaka hyötysuhde (ilman ideaalia regeneraattoria, joka palauttaisi isokooristen etappien lämmön) pysyy arvon 0.5 alapuolella. Selitä ensimmäisen lain avulla, miksi isokoorisen jäähtymisetapin aikana dumppattu lämpö edustaa energiaa, jota yksinkertainen moottori ei palauta.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Todellinen Stirling-moottori käyttää regeneraattoria – verkkoa, joka varastoi isokoorisen jäähtymisen aikana vapautuvan lämmön ja palauttaa sen isokoorisen lämmityksen aikana. Selitä, miksi täydellinen regeneraattori antaisi tämän syklin lähestyä Carnot'n hyötysuhdetta ilman adiabaattisia etappeja.
• Stirling-moottoreita arvostetaan siitä, että ne toimivat millä tahansa ulkoisella lämpölähteellä (aurinko, hukkalämpö, jopa lämpötilaerot avaruudessa) sen sijaan, että ne vaatisivat sisäistä palamista. Miksi ulkoisesti lämmitetty suljetun syklin moottori voisi olla houkutteleva niille sovelluksille?

• 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 Stirlingin sykliin
2. Valitse kammio
3. Paina Toista
4. Regeneratiivinen 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