Termodinamica
Ciclo di Stirling
Due isoterme + due isocore con rigenerazione.
Ciclo di Stirling — simulazione interattiva (Termodinamica). Due isoterme + due isocore con rigenerazione. Laboratorio virtuale di fisica gratuito nel browser con misure SI dal vivo e tutorial guidato.
Ciclo di Stirling
Due isoterme + due isocore con rigenerazione.
Il ciclo di Stirling usa un rigeneratore per immagazzinare calore durante i passi a volume costante e restituirlo dopo, avvicinandosi in progetto ideale alle prestazioni di Carnot. I motori Stirling reali scambiano complessità con silenziosità e fonti termiche flessibili.
- Due isoterme + rigenerazione
- η_Carnot al limite ideale
Sintesi dell'indagine
Pianifica la domanda prima di aprire il laboratorio
La sintesi riprende la pagina pre-renderizzata: domanda guida, previsioni concorrenti, ruoli delle variabili, leggi dominanti, procedura, analisi ed estensioni restano visibili e in quest'ordine.
Domanda guida
Il ciclo di Stirling usa 2 rami isotermi e 2 isocori, nessuna adiabatica. La sua efficienza può in principio eguagliare Carnot se un «rigeneratore» perfetto ricicla il calore tra i rami isocori. Senza rigeneratore ideale, l'efficienza semplice che misuri resta sotto il limite di Carnot?
Previsioni da valutare
- Sì: senza rigeneratore, l'efficienza grezza sta sotto il limite di Carnot alle stesse temperature dei serbatoi.
- L'efficienza eguaglia Carnot indipendentemente dalla rigenerazione.
- L'efficienza supera il limite di Carnot.
Ruoli delle variabili
Cosa imposti tu:
- Numero del ramo
Cosa misuri:
- Volume bersaglio del ramo V (m³)
- Lavoro del gas su questo ramo (J)
Come si svolge l'indagine
- Apri il preset Stirling e premi Reimposta. 1 mol di argon cicla tra 600 K e 300 K usando solo rami isotermi e isocori.
- Attiva le letture di lavoro per ramo ed efficienza del ciclo.
- Per ogni ramo (da 1 a 4), leggi volume bersaglio e lavoro del gas su quel ramo.
Equazione che governa
Limite di Carnot per l'efficienza del ciclo — η_c = 1 − Tc / Th
Nessun ciclo operante tra le temperature Tc e Th — Stirling incluso — può superare l'efficienza di Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Un ciclo di Stirling reale (senza rigenerazione) resta sotto questo limite perché scarica calore non recuperato durante il suo ramo di raffreddamento isocoro.
Cosa il foglio stampabile chiede di ricavare agli studenti
- Verifica che i rami 2 e 4 (isocori) mostrino W = 0. Somma il lavoro di tutti e 4 i rami per il lavoro netto del ciclo, e confronta la lettura dell'efficienza del ciclo col limite di Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- L'efficienza grezza di questo ciclo (senza rigeneratore ideale che recuperi il calore isocoro) resta sotto 0.5. Spiega col primo principio perché il calore scaricato nel raffreddamento isocoro è energia che il motore semplice non recupera.
Dove si ritrova fuori dal laboratorio
- Un motore Stirling reale usa un rigeneratore: una rete che immagazzina il calore rilasciato nel raffreddamento isocoro e lo restituisce nel riscaldamento isocoro. Spiega perché un rigeneratore perfetto porterebbe questo ciclo vicino al rendimento di Carnot anche senza adiabatiche.
- I motori Stirling sono apprezzati perché funzionano con qualsiasi fonte esterna di calore (sole, calore di scarto, persino differenze termiche nello spazio) senza combustione interna. Perché un ciclo chiuso con riscaldamento esterno è attraente per quelle applicazioni?
- 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
- Benvenuto al ciclo di Stirling
- Seleziona la camera
- Premi Play
- Ciclo rigenerativo
- Apri il pannello Proprietà
- Ce l'hai fatta!
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Macchine termiche e rendimento di Carnot