Termodinamika

Carnotov ciklus

Ciklus s najvećom korisnošću: η = 1 − Tc/Th.

Carnotov ciklus — interaktivna simulacija: Termodinamika. Ciklus s najvećom korisnošću: η = 1 − Tc/Th. Besplatan virtualni laboratorij fizike u pregledniku sa SI mjerenjima u stvarnom vremenu i vođenim tutorijalom.

Carnotova korisnost

Ciklus s najvećom korisnošću: η = 1 − Tc/Th.

Carnotov stroj radi reverzibilno između dva spremnika. Svaka dionica je ili izotermna (izmjenja topline pri fiksnom T) ili adijabatska (bez topline). Nijedan stvarni stroj ne može premašiti tu korisnost jer nepovratnost rasipa korisnu energiju kao produkciju entropije.

• η = 1 − T_c/T_h
• Maksimalna η

Sažetak istraživanja

Isplaniraj pitanje prije nego otvoriš laboratorij

Sažetak odražava unaprijed prikazanu stranicu: središnje pitanje, suprotstavljena predviđanja, uloge varijabli, odgovarajući zakoni, postava, analiza i poticaji za proširenje ostaju vidljivi i u ovom redoslijedu.

Središnje pitanje

Carnotov stroj provodi plin kroz 4 dionice (izotermno širenje, adijabatsko širenje, izotermna kompresija, adijabatska kompresija) natrag u početno stanje. Mijenja li se unutarnja energija plina kroz jedan potpuni ciklus?

Predviđanja za odvagnuti

• Unutarnja energija raste kroz ciklus, jer plin vrši neto pozitivan rad.
• Unutarnja energija vraća se na početnu vrijednost — nulta neto promjena kroz zatvoreni ciklus.
• Unutarnja energija opada kroz ciklus.

Uloge varijabli

Što postavljaš:

• Broj dionice

Što mjeriš:

• Ciljni volumen dionice V (L)
• Rad plina u ovoj dionici (J)

Kako istraživanje teče

1. Otvori postav carnot-cycle i pritisni Resetiraj. 1 mol argona (f = 3) kruži između vrućeg spremnika od 600 K i hladnog od 300 K.
2. Omogući očitanje rada po dionici.
3. Za svaku dionicu ciklusa (1 do 4), očitaj ciljni volumen dionice i rad plina tijekom te dionice.

Odgovarajuća jednadžba

Carnotova korisnost — η_c = 1 − Tc / Th

Najveća moguća korisnost bilo kojeg toplinskog stroja između vrućeg spremnika Th i hladnog Tc ovisi samo o njihovom omjeru temperatura: η_c = 1 − Tc/Th.

Što ispisivi radni list traži od učenika da izrade

• Zbroji svoje vrijednosti rada 4 dionice. Usporedi ukupno s nR(Th − Tc)·ln(2) (približno, za omjere volumena ovog ciklusa) i usporedi korisnost ciklusa η = W_net/Qin s Carnotovom vrijednošću η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Dvije dionice imaju pozitivan rad (širenje), a dvije negativan (kompresija). Objasni zašto je *neto* rad kroz puni ciklus ipak pozitivan, što ovo čini toplinskim strojem, a ne petljom koja ne radi ništa.

Gdje se ovo pojavljuje izvan laboratorija

• Nijedan stvarni motor između istih temperatura spremnika ne može pobijediti Carnotovu korisnost. Objasni, koristeći η_c = 1 − Tc/Th, zašto bi motor mogao doseći 100% korisnosti samo kad bi Tc = 0 K — fizikalno nedostižno.
• Carnotov ciklus u cijelosti je izgrađen od reverzibilnih koraka (izotermnih i adijabatskih, oboje idealiziranih kao beskonačno spori). Objasni zašto stvarni motor, koji neizbježno ima trenje i prijenos topline konačnom brzinom, nikad ne može doseći tu idealnu korisnost.

• 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. Dobro došli u Carnotov ciklus
2. Odaberi komoru
3. Pritisni Pokreni
4. Maksimalna korisnost
5. Otvori ploču Svojstva
6. Uspjelo ti je!

Otvori interaktivnu simulaciju za izgradnju scene, pritisni Pokreni i istražuj s mjerenjima u stvarnom vremenu i vođenim tutorijalom.

Otvori interaktivni laboratorij →

Preuzmi radni list →

Toplinski strojevi i Carnotova korisnost