Termodinamika

Stirlingo ciklas

Dvi izotermos + dvi izochoros su regeneracija.

Stirlingo ciklas — interaktyvi Termodinamika simuliacija. Dvi izotermos + dvi izochoros su regeneracija. Nemokama naršyklės virtuali fizikos laboratorija su gyvais SI matavimais ir vedama instrukcija.

Stirlingo ciklas

Dvi izotermos + dvi izochoros su regeneracija.

Stirlingo ciklas naudoja regeneratorių šilumai kaupti pastoviojo tūrio žingsnių metu ir grąžinti vėliau, idealiajame dizaine artėdamas prie Karno tipo rodiklių. Realūs Stirlingo varikliai maino sudėtingumą į tylesnį darbą ir lankstesnius šilumos šaltinius.

• Dvi izotermos + regeneracija
• η_Carnot idealiojoje riboje

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

Stirlingo ciklas naudoja 2 izotermines kojas ir 2 izochorines kojas, jokių adiabatinių apskritai. Jo naudingumas iš principo gali atitikti Karno vertę, jei tobulybė „regeneratorius“ perdirba šilumą tarp izochorinių kojų. Be idealaus regeneratoriaus, ar paprastojo ciklo naudingumas, kurį išmatuoji, atsilieka nuo Karno ribos?

Svarstytini spėjimai

• Taip — be regeneratoriaus, šio ciklo žaliasis naudingumas žemiau Karno ribos tomis pačiomis dviejų rezervuarų temperatūromis.
• Naudingumas tiksliai lygus Karno ribai nepriklausomai nuo regeneracijos.
• Naudingumas viršija Karno ribą.

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 „Stirlingo ciklas“ eksperimentą ir spausk Atstatyti. 1 mol argono cirkuliuoja tarp 600 K ir 300 K naudodamas tik izotermines ir izochorines kojas.
2. Įjunk kojų darbo rodmuo ir ciklo naudingumo rodmuo.
3. Kiekvienai ciklo kojai (nuo 1 iki 4) nuskaityk kojos taikinio tūrį ir dujų atliktą darbą per tą koją.

Valdančioji lygtis

Karno riba ciklo naudingumui — η_c = 1 − Tc / Th

Joks ciklas, veikiantis tarp temperatūrų Tc ir Th — įskaitant Stirlingą — negali viršyti Karno naudingumo η_c = 1 − Tc/Th. Realus (neregeneruotas) Stirlingo ciklas atsilieka nuo šios ribos, nes išmeta neatgautą šilumą izochorinio vėsinimo kojos metu.

Ką spausdinamasis darbo lapas prašo mokinių apskaičiuoti

• Patvirtink, kad 2 ir 4 kojos (izochorinės) rodo W = 0. Sudėk visų 4 kojų darbus grynajam ciklo darbui ir palygink ciklo naudingumo rodmenį su Karno riba η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Šio ciklo žaliasis naudingumas (be idealaraus regeneratoriaus, atgaunančio izochorinių kojų šilumą) lieka žemiau 0.5. Paaiškink, naudodamas pirmąjį dėsnį, kodėl šiluma, išmesta izochorinio vėsinimo kojos metu, yra energija, kurios paprastasis variklis neatgauna.

Kur tai pasirodo už laboratorijos ribų

• Realus Stirlingo variklys naudoja regeneratorių — tinklelį, kaupiantį šilumą, išleistą izochorinio vėsinimo metu, ir grąžinantį ją izochorinio kaitinimo metu. Paaiškink, kodėl tobulas regeneratorius leistų šiam ciklui artėti prie Karno naudingumo net be adiabatinių kojų.
• Stirlingo varikliai vertinami už galimybę veikti su bet kokiu išoriniu šilumos šaltiniu (saulė, atliekinė šiluma, net temperatūrų skirtumai kosmose), o ne reikalaujant vidinio degimo. Kodėl uždarasis ciklas su išoriniu kaitinimu gali būti patrauklus toms programoms?

• 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 Stirlingo ciklo
2. Pasirink kamerą
3. Spausk Leisti
4. Regeneracinis 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