Termodynamikk

Stirling-syklus

To isotermer + to isokorer med regenerering.

Stirling-syklus — interaktiv Termodynamikk-simulering. To isotermer + to isokorer med regenerering. Gratis virtuell fysikk-lab i nettleseren med SI-målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.

Stirling-syklus

To isotermer + to isokorer med regenerering.

Stirling-syklusen bruker en regenerator til å lagre varme under konstantvolumstrinnene og returnere den senere, og nærmer seg Carnot-aktig ytelse i et ideelt design. Ekte Stirling-motorer bytter kompleksitet mot stille drift og fleksible varmekilder.

• To isotermer + regenerering
• η_Carnot ved ideell grense

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

Stirling-syklusen bruker 2 isoterme trinn og 2 isokore trinn, ingen adiabatiske trinn i det hele tatt. Virkningsgraden kan i prinsippet matche Carnot-verdien hvis en perfekt «regenerator» resirkulerer varme mellom de isokore trinnene. Uten en ideell regenerator, faller den enkle sykluseffektiviteten du måler, kort av Carnot-grensen?

Prediksjoner å veie

• Ja — uten en regenerator er denne syklusens rå virkningsgrad under Carnot-grensen for de samme to reservoartemperaturene.
• Virkningsgraden tilsvarer nøyaktig Carnot-grensen uavhengig av regenerering.
• Virkningsgraden overstiger Carnot-grensen.

Variabelroller

Hva du setter:

• Trinnummer

Hva du måler:

• Trinnets mål volum V (m³)
• Arbeid utført av gassen dette trinnet (J)

Hvordan undersøkelsen foregår

1. Åpne Stirling-syklus-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. 1 mol argon sykler mellom 600 K og 300 K ved bruk av kun isoterme og isokore trinn.
2. Aktiver per-trinn arbeidsavlesningen og sykluseffektivitet-avlesningen.
3. For hvert trinn i syklusen (1 til 4), avles trinnets mål volum og arbeidet utført av gassen under det trinnet.

Styrende likning

Carnot-grense for sykluseffektivitet — η_c = 1 − Tc / Th

Ingen syklus som drives mellom temperaturene Tc og Th — Stirling inkludert — kan overstige Carnot-virkningsgraden η_c = 1 − Tc/Th. En ekte (ikke-regenerert) Stirling-syklus faller kort av denne grensen fordi den dumper ugjenvunnet varme under sitt isokore nedkjølingstrinn.

Hva det utskrivbare arbeidsarket ber elevene finne ut

• Bekreft at trinn 2 og 4 (isokore) viser W = 0. Summer alle 4 trinners arbeid for netto syklusarbeid, og sammenlign syklusens virkningsgradsavlesning med Carnot-grensen η_c = 1 − 300/600 = 0,5.
• Denne syklusens rå virkningsgrad (uten en ideell regenerator som gjenvinner de isokore trinnenes varme) forblir under 0,5. Forklar, med første lov, hvorfor varmen dumpet under det isokore nedkjølingstrinnet representerer energi den enkle motoren ikke gjenvinner.

Hvor dette dukker opp utenfor labben

• En ekte Stirling-motor bruker en regenerator — et nett som lagrer varmen frigjort under isokor nedkjøling og returnerer den under isokor oppvarming. Forklar hvorfor en perfekt regenerator ville la denne syklusen nærme seg Carnot-virkningsgraden selv uten adiabatiske trinn.
• Stirling-motorer er verdsatt for å kunne drives av enhver ekstern varmekilde (sol, spillvarme, til og med temperaturforskjeller i verdensrommet) i stedet for å kreve intern forbrenning. Hvorfor kan en lukket syklusmotor med ekstern oppvarming være attraktiv for disse anvendelsene?

• 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. Velkommen til Stirling-syklus
2. Velg kammeret
3. Trykk Spill av
4. Regenerativ syklus
5. Åpne Egenskaper-panelet
6. Du klarte det!

Åpne den interaktive simuleringen for å bygge scenen, trykk Spill av, og utforsk med målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.

Åpne interaktiv lab →

Last ned arbeidsark →

Varmemaskiner og Carnot-virkningsgrad