Termodinamika

Karno ciklas

Efektyviausias ciklas: η = 1 − Tc/Th.

Karno ciklas — interaktyvi Termodinamika simuliacija. Efektyviausias ciklas: η = 1 − Tc/Th. Nemokama naršyklės virtuali fizikos laboratorija su gyvais SI matavimais ir vedama instrukcija.

Karno naudingumas

Efektyviausias ciklas: η = 1 − Tc/Th.

Karno variklis veikia grįstamai tarp dviejų rezervuarų. Kiekviena koja arba izoterminė (šilumos mainai pastovioje T), arba adiabatinė (be šilumos). Joks realus variklis negali viršyti šio naudingumo, nes negrįstamumas švaisto naudingą energiją entropijos produkcija.

• η = 1 − T_c/T_h
• Maksimalus η

Tyrimo santrauka

Suplanuok klausimą dar prieš atidarydamas laboratoriją

Santrauka atspindi iš anksto sugeneruotą puslapį: pagrindinis klausimas, konkuruojantys spėjimai, kintamųjų vaidmenys, valdantys dėsniai, sąranka, analizė ir pratęsimo raginimai išlieka matomi ir būtent šia tvarka.

Pagrindinis klausimas

Karno variklis veda dujas per 4 kojas (izoterminis plėtimasis, adiabatinis plėtimasis, izoterminis gaužimas, adiabatinis gaužimas) atgal į pradinę būseną. Ar dujų vidinė energija pasikeičia per vieną pilną ciklą?

Svarstytini spėjimai

• Vidinė energija didėja per ciklą, nes dujos atlieka grynąjį teigiamą darbą.
• Vidinė energija grįžta į pradinę reikšmę — nulinis grynasis pokytis per uždarą ciklą.
• Vidinė energija mažėja per ciklą.

Kintamųjų vaidmenys

Ką tu nustatai:

• Kojos numeris

Ką tu matauji:

• Kojos taikinio tūris V (L)
• Dujų atliktas darbas šioje kojoje (J)

Kaip vyksta tyrimas

1. Atidaryk „Karno ciklas“ eksperimentą ir spausk Atstatyti. 1 mol argono (f = 3) cirkuliuoja tarp 600 K karštojo rezervuaro ir 300 K šaltojo rezervuaro.
2. Įjunk kojų darbo rodmuo.
3. Kiekvienai ciklo kojai (nuo 1 iki 4) nuskaityk kojos taikinio tūrį ir dujų atliktą darbą per tą koją.

Valdančioji lygtis

Karno naudingumas — η_c = 1 − Tc / Th

Didžiausias įmanomas bet kurio šiluminio variklio, veikiančio tarp karštojo rezervuaro Th ir šaltojo rezervuaro Tc, naudingumas priklauso tik nuo jų temperatūrų santykio: η_c = 1 − Tc/Th.

Ką spausdinamasis darbo lapas prašo mokinių apskaičiuoti

• Sudėk savo 4 kojų darbo reikšmes. Palygink sumą su nR(Th − Tc)·ln(2) (apytiksliai, šio ciklo tūrių santykiams) ir palygink ciklo naudingumą η = W_net/Qin su Karno verte η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Dvi kojos turi teigiamą darbą (plėtimąsi) ir dvi neigiamą (gaužimą). Paaiškink, kodėl *grynasis* darbas per visą ciklą vis tiek teigiamas, darydamas tai šiluminiu varikliu, o nieko nedarančia kilpa.

Kur tai pasirodo už laboratorijos ribų

• Joks realus variklys, veikiantis tarp tų pačių dviejų rezervuarų temperatūrų, negali įveikti Karno naudingumo. Paaiškink, naudodamas η_c = 1 − Tc/Th, kodėl variklys galėtų pasiekti 100 % naudingumą tik jei Tc = 0 K — fiziškai nepasiekiama.
• Karno ciklas pastatytas visas iš grįžtamų žingsnių (izoterminių ir adiabatinių, abu idealizuoti kaip begalo lėti). Paaiškink, kodėl realus variklys, kuriam neišvengiamai yra trinties ir baigtinio greičio šilumos perdavimo, niekada iki galo nepasiekia šio idealaus naudingumo.

• 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

1. Sveiki atvykę prie Karno ciklo
2. Pasirink kamerą
3. Spausk Leisti
4. Didžiausiasis naudingumas
5. Atidaryk Savybių skydą
6. Tau pavyko!

Atidaryk interaktyvią simuliaciją, sukurk sceną, spausk Leisti ir tyrinėk su gyvais matavimais bei vedama instrukcija.

Atidaryk interaktyvią laboratoriją →

Atsisiųsti darbo lapą →

Šiluminiai varikliai ir Karno naudingumas