熱力学
冷凍機（逆カルノー）
逆方向に運転：仕事を入れると熱を低温から高温へくみ上げます（COP = Tc/(Th−Tc)）。
冷凍機（逆カルノー） — インタラクティブな熱力学シミュレーション。逆方向に運転：仕事を入れると熱を低温から高温へくみ上げます（COP = Tc/(Th−Tc)）。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
冷凍機のCOP
逆運転：入力仕事で熱を冷源→熱源へ送ります（COP = Tc/(Th−Tc)）。
冷凍機は逆運転する熱機関です：電気の仕事が冷たい内部から暖かい部屋へ熱を送ります。成績係数 COP = Q_c/W はポンプされた熱が供給された仕事より大きいため1を超えることがあります — 常に1以下である効率とは異なります。
- COP = T_c/(T_h−T_c)
- 入力仕事
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
カルノーサイクルを逆向きに動かすと、機関は冷凍機になる。正味の仕事は外へ出る代わりに中へ入る。実際の冷凍機が内部から熱を取り出すように、気体は低温熱源から熱を吸収し続けるか？
検討する予測
- いいえ — サイクルを逆にすると、どちらの熱源が熱を吸収するかも逆になる。
- 逆サイクルはどちらの熱源とも熱を交換しない。
- はい — 逆サイクルは低温側から熱を吸収し、入力された仕事を使って、より多くの熱を高温側へ放出する。
可変的な役割
設定するもの：
- 過程番号
測定するもの：
- 過程の目標体積 V (L)
- この過程で気体がした仕事 (J)
実験の進め方
- carnot-fridge プリセットを開き、「リセット」を押す。carnot-cycle と同じ4つの過程を逆の順序で行う。
- 各過程の仕事の表示と、冷却／加熱 COP の表示を有効にする。
- サイクルの各過程（1から4）について、その過程の目標体積と、その過程で気体がした仕事を読み取る。
支配方程式
冷凍機の成績係数 — COP = Tc / (Th − Tc)
逆カルノーサイクルの冷却性能は COP_cool = Tc/(Th − Tc) で表される。これは供給した仕事の単位当たりに低温空間からどれだけの熱を除去するかを示す。温度差が小さいほど COP は高くなる。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 4つの過程の仕事の値を合計する。合計（気体がした正味の仕事）は負になるはずであり、正味の仕事を気体へ供給する必要があることを示す。冷却 COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0、加熱 COP = Th/(Th − Tc) = 2.0 を計算する。
- ここでの過程の順序を carnot-cycle の過程の順序と比較する。同じ4つの過程の順序を逆にするだけで、サイクルが機関（正味の仕事が出る）から冷凍機（正味の仕事が入る）へ変わる理由を説明する。
実験以外での活用
- 冷却 COP が 1.0 とは、供給した仕事 1 J ごとに冷凍機が低温空間から 1 J の熱を移動させることを意味する。加熱 COP が 2.0（ヒートポンプモード）とは、仕事 1 J ごとに高温空間へ 2 J の熱を届けることを意味する。同じ熱源では、COP_heat が常に COP_cool よりちょうど1大きい理由を説明する。
- 機関効率（常に ≤ 1）とは異なり、COP は 1 を超えることができる。これはエネルギー保存則に反しない。COP > 1 が可能な理由を説明する。運ばれる追加のエネルギーは、何もないところから作られるのではなく、冷却される熱源から来る。
- 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
- カルノー冷凍機へようこそ
- チャンバーを選択
- 再生
- 冷凍機のCOP
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。