Termodinamika

Oto ciklas

Benzininio variklio ciklas: dvi adiabatos + dvi izochoros.

Oto ciklas — interaktyvi Termodinamika simuliacija. Benzininio variklio ciklas: dvi adiabatos + dvi izochoros. Nemokama naršyklės virtuali fizikos laboratorija su gyvais SI matavimais ir vedama instrukcija.

Oto ciklas

Benzininio variklio ciklas: dvi adiabatos + dvi izochoros.

Oto ciklas modeliuoja kibirkštinio uždegimo variklį: greitas sudegimas beveik pastoviu tūriu kelia slėgį, tada adiabatinis plėtimasis atlieka darbą, o galiausiai išmetimas pastoviu tūriu. Jis mažiau efektyvus už Karno tomis pačiomis temperatūrų kraštinėmis, nes šiluma pridedama kintančioje temperatūroje.

• η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
• Benzininis variklis

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

Oto ciklas (adiabatinis gaužimas, izochorinis kaitinimas, adiabatinis plėtimasis, izochorinis vėsinimas) modeliuoja benzininį variklį. Skirtingai nei Karno ciklas, dvi jo kojos yra pastoviu tūriu, o ne pastovioje temperatūroje. Ar per tas pastoviojo tūrio kojas dujos atlieka kokią nors darbą?

Svarstytini spėjimai

• Darbas vis tiek atliekamas, nes slėgis keičiasi per tas kojas.
• Pastoviojo tūrio kojos atlieka neigiamą darbą.
• Pastoviojo tūrio kojose darbas neatliekamas, nes W = PΔV ir ΔV = 0.

Kintamųjų vaidmenys

Ką tu nustatai:

• Kojos numeris

Ką tu matauji:

• Kojos taikinio tūris V (m³)
• Dujų atliktas darbas šioje kojoje (J)

Kaip vyksta tyrimas

1. Atidaryk „Oto ciklas“ eksperimentą ir spausk Atstatyti. 1 mol azoto (f = 5) gaužiamas nuo 0.04 m³ iki 0.01 m³, tada kaitinamas pastoviu tūriu iki 900 K.
2. Įjunk kojų darbo ir šilumos rodmenis.
3. Kiekvienai ciklo kojai (nuo 1 iki 4) nuskaityk kojos taikinio tūrį ir dujų atliktą darbą per tą koją.

Valdančioji lygtis

Oto ciklo naudingumas — η = W / Qin

Idealizuotajam Oto ciklui naudingumas priklauso tik nuo gaužimo santykio r = V₁/V₂ ir dujų šiluminių talpų santykio γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Aukštesni gaužimo santykiai duoda aukštesnį naudingumą.

Ką spausdinamasis darbo lapas prašo mokinių apskaičiuoti

• Patvirtink, kad 2 ir 4 kojos (izochorinės) rodo W = 0 tavo lentelėje, o 1 ir 3 kojos (adiabatinės) rodo nenulinį darbą. Apskaičiuok gaužimo santykį r = V₁/V₂ = 4 ir ciklo naudingumą η = 1 − 1/r^(γ−1) naudodamas γ = 1.4.
• Šio ciklo grynasis darbas teigiamas, nors pusė jo kojų neatlieka jokio darbo. Paaiškink, kaip vienos adiabatinės kojos vienos gali duoti grynąjį teigiamą darbo išvedį.

Kur tai pasirodo už laboratorijos ribų

• Realūs benzininiai varikliai apriboti gaužimo santykiais apie 10-12 (didesni sukelia priešlaikinį uždegimą / daužimąsi). Naudodamas η = 1 − 1/r^(γ−1) paaiškink, kodėl variklių dizaineriai sieka aukštesnių gaužimo santykių, kai įmanoma.
• Dyzelinis variklys naudoja kitokį ciklą (izobarinis kaitinimas vietoj izochorinio), bet panašią adiabatinio gaužimo idėją. Abu remiasi adiabatinėmis kojomis, verčiančiomis gaužimo darbą į aukštesnes temperatūras. Kodėl šilumos nuostolių minimizavimas gaužimo metu svarbus abiem dizainams?

• 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 Oto ciklo
2. Pasirink kamerą
3. Spausk Leisti
4. Benzininio variklio ciklas
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