오토 사이클: 가솔린 엔진의 이상화된 모델
1 · 예측
오토 사이클(단열 압축, 등적 가열, 단열 팽창, 등적 냉각)은 가솔린 엔진을 모형화합니다. 카르노 사이클과 달리, 이 사이클의 두 단계는 일정 온도가 아니라 일정 부피에서 일어납니다. 이 등적 단계 동안 기체는 일을 합니까?
- 다리 사이의 압력이 변하기 때문에 작업은 계속 수행됩니다.
- 등적 단계는 음의 일을 합니다.
- W = PΔV이고 ΔV = 0이므로 등적 단계에서는 일(W)이 수행되지 않습니다.
2 · 설정
- otto-cycle 사전 설정을 열고 재설정을 누릅니다. 1몰의 질소(f = 5)는 40 L에서 10 L로 압축된 다음 일정한 부피로 900K로 가열됩니다.
- per-leg 작업 및 열 판독을 활성화합니다.
- 주기의 각 구간(1~4)에 대해 구간의 목표 부피와 해당 구간 동안 가스가 수행한 작업을 읽습니다.
3 · 데이터 수집
| 과정 번호 | 해당 과정의 목표 부피 V (L) | 해당 과정에서 기체가 한 일 (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
4단계 전체에 대한 P-V 다이어그램을 스케치하세요. 등적(수직) 구간에 해당하는 단계를 표시하고, 그 구간에서 여러분의 일 측정값이 0인지 확인하세요.
4 · 분석
- 표에서 단계 2와 4(등적 단계)는 W = 0으로 나타나고, 단계 1과 3(단열)은 0이 아닌 일을 보이는 것을 확인하세요. 압축비 r = V₁/V₂ = 4와, γ = 1.4를 사용한 순환 효율 η = 1 − 1/r^(γ−1)을 계산하세요.
- ...과정의 절반이 일을 하지 않더라도 순일은 양수입니다.
5 · 확장
- 실제 가솔린 엔진은 압축비가 약 10~12 정도로 제한됩니다(더 높은 비율은 조기점화/노킹을 일으킵니다). η = 1 − 1/r^(γ−1)을 이용해, 엔진 설계자가 가능한 한 더 높은 압축비를 추구하는 이유를 설명하세요.
- 디젤 엔진은 다른 사이클(등적 가열 대신 등압 가열)을 사용하지만... 둘 다 단열 과정을 사용하여...
이 실험의 물리학
오토사이클 효율성
엔진의 실측 효율은 η = W/Q_in입니다 — 흡수한 열당 순 일; 인용된 식이 보여주는 것이 바로 이것이고 데이터 표가 계산하는 것도 이것입니다. 이상화된 오토 사이클에서 효율은 압축비 r = V₁/V₂와 열용량비 γ에만 좌우됩니다: η = 1 − 1/r^(γ−1) — 압축비가 높을수록 효율이 높아집니다.