Thermodynamica
Carnotcyclus
De meest efficiënte cyclus: η = 1 − Tc/Th.
Carnotcyclus — interactieve Thermodynamica-simulatie. De meest efficiënte cyclus: η = 1 − Tc/Th. Gratis virtueel natuurkundelab in de browser met live SI-metingen en een begeleide rondleiding.
Carnot-rendement
Het meest efficiënte kringproces: η = 1 − Tc/Th.
Een Carnotmachine werkt omkeerbaar tussen twee reservoirs. Elke tak is ofwel isotherm (warmte-uitwisseling bij vaste T) ofwel adiabatisch (geen warmte). Geen echte machine kan dit rendement overtreffen omdat onomkeerbaarheid bruikbare energie verspilt als entropieproductie.
- η = 1 − T_c/T_h
- Maximaal η
Onderzoeksnota
Plan de vraag voordat je het lab opent
De samenvatting spiegelt de voorgerenderde pagina: leidende vraag, concurrerende voorspellingen, rollen van variabelen, bepalende wetten, opstelling, analyse- en verdiepingsvragen blijven zichtbaar en in deze volgorde.
Leidende vraag
Een Carnotmachine voert een gas door 4 etappes (isotherme uitzetting, adiabatische uitzetting, isotherme compressie, adiabatische compressie) terug naar zijn begintoestand. Verandert de inwendige energie van het gas over één volledige cyclus?
Voorspellingen om te wegen
- De inwendige energie neemt toe over de cyclus, want het gas verricht netto positieve arbeid.
- De inwendige energie keert terug naar zijn beginwaarde — netto nul verandering over een gesloten cyclus.
- De inwendige energie neemt af over de cyclus.
Rollen van variabelen
Wat je instelt:
- Etappenummer
Wat je meet:
- Doelvolume van de etappe V (L)
- Arbeid door gas in deze etappe (J)
Hoe het onderzoek verloopt
- Open de voorinstelling carnot-cycle en druk op Herstel. 1 mol argon (f = 3) doorloopt een cyclus tussen een heet reservoir van 600 K en een koud reservoir van 300 K.
- Zet de aflezing van de arbeid per etappe aan.
- Lees voor elke etappe van de cyclus (1 tot en met 4) het doelvolume van de etappe af en de arbeid die het gas tijdens die etappe verricht.
Leidende vergelijking
Carnot-rendement — η_c = 1 − Tc / Th
Het maximaal mogelijke rendement van elke warmtemachine die werkt tussen een heet reservoir Th en een koud reservoir Tc hangt alleen af van hun temperatuurverhouding: η_c = 1 − Tc/Th.
Wat het uitprintbare werkblad leerlingen laat uitwerken
- Tel je 4 etappe-arbeidswaarden bij elkaar op. Vergelijk het totaal met nR(Th − Tc)·ln(2) (bij benadering, voor de volumeverhoudingen van deze cyclus) en vergelijk het rendement van de cyclus η = W_net/Qin met de Carnot-waarde η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
- Twee etappes hebben positieve arbeid (uitzetting) en twee negatieve arbeid (compressie). Leg uit waarom de *netto* arbeid over de volledige cyclus toch positief is, waardoor dit een warmtemachine is in plaats van een nietsdoende lus.
Waar dit buiten het lab opduikt
- Geen enkele echte machine die tussen dezelfde twee reservoirtemperaturen werkt kan het Carnot-rendement verslaan. Leg met η_c = 1 − Tc/Th uit waarom een machine 100% rendement alleen zou kunnen bereiken als Tc = 0 K — natuurkundig onbereikbaar.
- De Carnotcyclus is volledig opgebouwd uit omkeerbare stappen (isotherm en adiabatisch, beide geïdealiseerd als oneindig langzaam). Leg uit waarom een echte machine, die onvermijdelijk wrijving en warmteoverdracht met eindige snelheid heeft, dit ideale rendement nooit helemaal kan halen.
- 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
- Welkom bij Carnot-cyclus
- Selecteer het vat
- Druk op Start
- Maximaal rendement
- Open het eigenschappenpaneel
- Gelukt!
Open de interactieve simulatie om de scène te bouwen, druk op Start en verken met live metingen en een begeleide rondleiding.
Warmtemachines & het rendement van Carnot