Oto ciklas: benzininio variklio idealizuotasis modelis

1 · Spėk

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?

2 · Paruošk

  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.

3 · Rink duomenis

Kojos numerisKojos taikinio tūris V (m³)Dujų atliktas darbas šioje kojoje (J)
1
2
3
4

Eskizuok P-V diagramą visoms 4 kojoms. Pažymėk, kurios kojos yra pastoviojo tūrio (vertikalieji) segmentai ir patvirtink, kad tavo darbo rodmenys ten yra 0.

4 · Analizuok

  1. 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.
  2. Šio ciklo grynasis darbas teigiamas, nors pusė jo kojų neatlieka jokio darbo. Paaiškink, kaip vienos adiabatinės kojos vienos gali duoti grynąjį teigiamą darbo išvedį.

5 · Išplėsk

  1. 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.
  2. 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?

Fizika už šio eksperimento

Oto ciklo naudingumas

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.

← Grįžti prie eksperimento

Termodinamika

138 nemokami spausdinami fizikos darbo lapai