熱力学
スターリングサイクル
等温線2本 + 等積線2本、回熱あり。
スターリングサイクル — インタラクティブな熱力学シミュレーション。等温線2本 + 等積線2本、回熱あり。 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。
スターリングサイクル
2 つの等温過程 + 2 つの等積過程（再生付き）。
スターリングサイクルは再生器を使って一定体積の過程で熱を蓄え、後で戻すことで、理想的な設計ではカルノーに近い性能に近づきます。実際のスターリングエンジンは複雑さと引き換えに、より静かな運転と柔軟な熱源を得ます。
- 2つの等温過程＋再生
- 理想的な極限で η_Carnot
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
スターリングサイクルは2つの等温過程と2つの定積過程だけを使い、断熱過程を持ちません。理想再生器が定積過程間の熱を再利用すれば効率は原理的にカルノー値に達します。理想再生器なしでは、測定効率はカルノー限界を下回るでしょうか？
検討する予測
- はい — 再生器がないと、同じ2つの熱源温度で生の効率はカルノー限界を下回ります。
- 再生に関係なく効率はカルノー限界に正確に等しくなります。
- 効率はカルノー限界を超えます。
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 (m³)
- この過程で気体がした仕事 (J)
実験の進め方
- stirling-cycle プリセットを開いて Reset を押します。1 mol のアルゴンが 600 K と 300 K の間を、等温・定積過程だけで循環します。
- 各過程の仕事とサイクル効率の読み出しを有効にします。
- 各過程（1〜4）の目標体積と気体がした仕事を読み取ります。
支配方程式
サイクル効率のカルノー限界 — η_c = 1 − Tc / Th
Tc と Th の間で動くどのサイクルも、スターリングを含め、カルノー効率 η_c = 1 − Tc/Th を超えられません。実際の非再生スターリングサイクルは定積冷却で熱を回収せず捨てるため、この限界を下回ります。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 定積過程2と4が W = 0 であることを確認します。4過程の仕事を合計して正味サイクル仕事を求め、効率表示をカルノー限界 η_c = 1 − 300/600 = 0.5 と比較します。
- 理想再生器がないと生の効率は0.5未満です。第一法則を用い、定積冷却で捨てる熱が単純機関で回収されないエネルギーである理由を説明します。
実験以外での活用
- 実際のスターリング機関は再生器を使い、定積冷却で放出した熱を蓄えて定積加熱で戻します。理想再生器が断熱過程なしでもサイクルをカルノー効率へ近づける理由を説明します。
- スターリング機関は内燃を必要とせず、太陽熱や廃熱など任意の外部熱源で動かせます。外部加熱の閉サイクル機関が魅力的な用途と理由を述べます。
- 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
- スターリングサイクルへようこそ
- チャンバーを選択
- 再生
- 再生サイクル
- 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。