Termodynamikk
Carnot-syklus
Den mest effektive syklusen: η = 1 − Tc/Th.
Carnot-syklus — interaktiv Termodynamikk-simulering. Den mest effektive syklusen: η = 1 − Tc/Th. Gratis virtuell fysikk-lab i nettleseren med SI-målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.
Carnot-virkningsgrad
Den mest effektive syklusen: η = 1 − Tc/Th.
En Carnot-motor drives reversibelt mellom to reservoarer. Hvert trinn er enten isotermt (varmeutveksling ved fast T) eller adiabatisk (ingen varme). Ingen ekte motor kan overstige denne virkningsgraden fordi irreversibilitet sløser med nyttig energi som entropiproduksjon.
- η = 1 − T_c/T_h
- Maksimal η
Undersøkelsesgrunnlag
Planlegg spørsmålet før du åpner labben
Oppgavegrunnlaget speiler den forhåndsgenererte siden: problemstilling, konkurrerende prediksjoner, variabelroller, styrende lover, oppsett, analyse og videreutviklingsoppgaver forblir synlige og i denne rekkefølgen.
Problemstilling
En Carnot-motor fører gassen gjennom 4 trinn (isoterm ekspansjon, adiabatisk ekspansjon, isoterm kompresjon, adiabatisk kompresjon) tilbake til starttilstanden. Endrer gassens indre energi seg over én fullstendig syklus?
Prediksjoner å veie
- Den indre energien øker over syklusen, siden gassen utfører netto positivt arbeid.
- Den indre energien vender tilbake til startverdien — null netto endring over en lukket syklus.
- Den indre energien synker over syklusen.
Variabelroller
Hva du setter:
- Trinnummer
Hva du måler:
- Trinnets mål volum V (L)
- Arbeid utført av gassen dette trinnet (J)
Hvordan undersøkelsen foregår
- Åpne Carnot-syklus-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. 1 mol argon (f = 3) sykler mellom et varmt reservoar på 600 K og et kaldt reservoar på 300 K.
- Aktiver per-trinn arbeidsavlesningen.
- For hvert trinn i syklusen (1 til 4), avles trinnets mål volum og arbeidet utført av gassen under det trinnet.
Styrende likning
Carnot-virkningsgrad — η_c = 1 − Tc / Th
Den maksimale mulige virkningsgraden til en varmemaskin drevet mellom et varmt reservoar Th og et kaldt reservoar Tc avhenger bare av temperaturforholdet deres: η_c = 1 − Tc/Th.
Hva det utskrivbare arbeidsarket ber elevene finne ut
- Summer arbeidsverdiene fra de 4 trinnene dine. Sammenlign totalen med nR(Th − Tc)·ln(2) (tilnærmet, for denne syklusens volumforhold), og sammenlign syklusens virkningsgrad η = W_net/Qin med Carnot-verdien η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0,5.
- To trinn har positivt arbeid (ekspansjon) og to har negativt arbeid (kompresjon). Forklar hvorfor *netto* arbeidet over hele syklusen fortsatt er positivt, noe som gjør dette til en varmemaskin i stedet for en gjør-ingenting-sløyfe.
Hvor dette dukker opp utenfor labben
- Ingen ekte motor som drives mellom de samme to reservoartemperaturene kan slå Carnot-virkningsgraden. Forklar, med η_c = 1 − Tc/Th, hvorfor en motor kunne nå 100 % virkningsgrad bare hvis Tc = 0 K — fysisk utilgjengelig.
- Carnot-syklusen er bygget utelukkende av reversible trinn (isoterme og adiabatiske, begge idealisert som uendelig langsomme). Forklar hvorfor en ekte motor, som uunngåelig har friksjon og varmeoverføring med endelig hastighet, aldri helt kan nå denne ideelle virkningsgraden.
- 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
- Velkommen til Carnot-syklus
- Velg kammeret
- Trykk Spill av
- Maksimal virkningsgrad
- Åpne Egenskaper-panelet
- Du klarte det!
Åpne den interaktive simuleringen for å bygge scenen, trykk Spill av, og utforsk med målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.
Varmemaskiner og Carnot-virkningsgrad