熱力学
オットーサイクル
ガソリンエンジンのサイクル：断熱線2本 + 等積線2本。
オットーサイクル — インタラクティブな熱力学シミュレーション。ガソリンエンジンのサイクル：断熱線2本 + 等積線2本。 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。
オットーサイクル
ガソリンエンジンサイクル：2 つの断熱過程 + 2 つの等積過程。
オットーサイクルは火花点火エンジンをモデル化します：ほぼ一定の体積での急速な燃焼が圧力を上げ、続いて仕事をする断熱膨張、そして一定体積での排気が続きます。熱が変化する温度で加えられるため、同じ温度範囲でカルノーより効率が低くなります。
- η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
- ガソリンエンジン
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
オットーサイクル（断熱圧縮・定積加熱・断熱膨張・定積冷却）はガソリンエンジンをモデル化します。カルノーサイクルと違い、2つの過程は一定温度でなく一定体積です。その過程で気体は仕事をしますか？
検討する予測
- 圧力が変化するため、その過程でも仕事をします。
- 定積過程は負の仕事をします。
- W = PΔV で ΔV = 0 なので、定積過程では仕事はありません。
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
- otto-cycle プリセットを開いて Reset を押します。1 mol の窒素（f = 5）を 40 L から 10 L へ圧縮し、一定体積で 900 K まで加熱します。
- 各過程の仕事と熱の読み出しを有効にします。
- サイクルの各過程（1〜4）で目標体積と、その過程に気体がした仕事を読み取ります。
支配方程式
オットーサイクル効率 — η = W / Qin
エンジンの実測効率は η = W/Q_in——吸収した熱あたりの正味の仕事です。引用した式が示すのはまさにこれで、データ表が計算するのもこれです。理想化したオットーサイクルでは、効率は圧縮比 r = V₁/V₂ と熱容量比 γ のみで決まります: η = 1 − 1/r^(γ−1)。圧縮比が高いほど効率は高くなります。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 定積過程の2と4が W = 0、断熱過程の1と3が非ゼロであることを確認します。圧縮比 r = V₁/V₂ = 4 と、γ = 1.4 を用いた効率 η = 1 − 1/r^(γ−1) を計算します。
- 半分の過程が仕事をしないのにサイクルの正味仕事が正になる理由を、2つの断熱過程だけで正味出力を生む仕組みとして説明します。
実験以外での活用
- 実際のガソリンエンジンの圧縮比は約10〜12に制限されます。η = 1 − 1/r^(γ−1) を用い、可能なら設計者が高い圧縮比を目指す理由を説明します。
- ディーゼルエンジンは定積でなく定圧加熱という別サイクルですが、断熱圧縮の考えは似ています。圧縮中の熱損失を最小化することが両方で重要な理由を説明します。
- 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
- オットーサイクルへようこそ
- チャンバーを選択
- 再生
- ガソリンエンジンサイクル
- プロパティパネルを開く
- 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。