Thermodynamica

Koelmachine (omgekeerde Carnot)

Draai omgekeerd: arbeid pompt warmte van koud→heet (COP = Tc/(Th−Tc)).

Koelmachine (omgekeerde Carnot) — interactieve Thermodynamica-simulatie. Draai omgekeerd: arbeid pompt warmte van koud→heet (COP = Tc/(Th−Tc)). Gratis virtueel natuurkundelab in de browser met live SI-metingen en een begeleide rondleiding.

Koelmachine-COP

Omgekeerd draaien: arbeid pompt warmte van koud→heet (COP = Tc/(Th−Tc)).

Een koelkast is een omgekeerd werkende warmtemachine: elektrische arbeid drijft warmte van het koude binnenste naar de warme kamer. De prestatiecoëfficiënt COP = Q_c/W kan groter zijn dan 1 omdat de gepompte warmte groter is dan de geleverde arbeid — anders dan het rendement, dat altijd ≤ 1 is.

• COP = T_c/(T_h−T_c)
• Arbeidinput

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

De Carnotcyclus achteruit draaien verandert een machine in een koelkast — netto arbeid gaat ERIN in plaats van eruit. Neemt het gas nog steeds warmte op uit het koude reservoir, zoals een echte koelkast die warmte uit zijn binnenruimte trekt?

Voorspellingen om te wegen

• Nee — het omkeren van de cyclus keert ook om welk reservoir warmte opneemt.
• Een omgekeerde cyclus wisselt met geen van beide reservoirs warmte uit.
• Ja — de omgekeerde cyclus neemt warmte op aan de koude kant en dumpt meer warmte in de hete kant, met behulp van de ingevoerde arbeid.

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

1. Open de voorinstelling carnot-fridge en druk op Herstel. Dezelfde 4 etappes als carnot-cycle lopen in omgekeerde volgorde.
2. Zet de aflezing van de arbeid per etappe aan, en de COP-aflezingen voor koelen en verwarmen.
3. 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

COP van de koelmachine — COP = Tc / (Th − Tc)

De koelprestatie van een omgekeerde Carnotcyclus wordt gemeten met COP_cool = Tc/(Th − Tc): hoeveel warmte per eenheid toegevoerde arbeid uit de koude ruimte wordt gehaald. Kleinere temperatuurverschillen geven een betere (hogere) COP.

Wat het uitprintbare werkblad leerlingen laat uitwerken

• Tel je 4 etappe-arbeidswaarden bij elkaar op — het totaal (netto arbeid verricht DOOR het gas) hoort negatief uit te komen, wat betekent dat er netto arbeid AAN het gas moet worden toegevoerd. Bereken de koel-COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 en de verwarm-COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Vergelijk de etappevolgorde hier met die van carnot-cycle. Leg uit hoe alleen al het omkeren van de volgorde van dezelfde 4 etappes de cyclus van een machine (netto arbeid uit) in een koelkast (netto arbeid in) verandert.

Waar dit buiten het lab opduikt

• Een koel-COP van 1,0 betekent dat de koelkast 1 J warmte uit de koude ruimte haalt per 1 J toegevoerde arbeid. Een verwarm-COP van 2,0 (warmtepompmodus) betekent dat hij 2 J warmte aan de warme ruimte afgeeft per 1 J arbeid. Leg uit waarom COP_heat voor dezelfde reservoirs altijd precies 1 hoger is dan COP_cool.
• Anders dan motorrendement (altijd ≤ 1) kan COP groter zijn dan 1 — dat is geen schending van energiebehoud. Leg uit waarom COP > 1 mogelijk is: de extra geleverde energie komt uit het reservoir dat wordt gekoeld en wordt niet uit het niets geschapen.

• 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. Welkom bij Carnot-koelkast
2. Selecteer het vat
3. Druk op Start
4. Koelmachine-COP
5. Open het eigenschappenpaneel
6. Gelukt!

Open de interactieve simulatie om de scène te bouwen, druk op Start en verken met live metingen en een begeleide rondleiding.

Interactief lab openen →

Werkblad downloaden →

Warmtemachines & het rendement van Carnot