Thermodynamica
Ottocyclus
De benzinemotorcyclus: twee adiabaten + twee isochoren.
Ottocyclus — interactieve Thermodynamica-simulatie. De benzinemotorcyclus: twee adiabaten + twee isochoren. Gratis virtueel natuurkundelab in de browser met live SI-metingen en een begeleide rondleiding.
Ottocyclus
Het kringproces van de benzinemotor: twee adiabaten + twee isochoren.
De Otto-cyclus modelleert een motor met ontstekingsvonk: snelle verbranding bij vrijwel constant volume verhoogt de druk, gevolgd door adiabatische expansie die arbeid levert, daarna uitlaat bij constant volume. Hij is minder efficiënt dan Carnot bij dezelfde temperatuurextremen omdat warmte wordt toegevoegd bij wisselende temperatuur.
- η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
- Benzinemotor
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 Ottocyclus (adiabatische compressie, isochore verwarming, adiabatische uitzetting, isochore koeling) modelleert een benzinemotor. Anders dan de Carnotcyclus staan twee van zijn etappes bij constant volume in plaats van constante temperatuur. Verricht het gas tijdens die etappes bij constant volume enige arbeid?
Voorspellingen om te wegen
- Er wordt toch arbeid verricht omdat de druk tijdens die etappes verandert.
- De etappes bij constant volume verrichten negatieve arbeid.
- Er wordt geen arbeid verricht tijdens de etappes bij constant volume, want W = PΔV en ΔV = 0.
Rollen van variabelen
Wat je instelt:
- Etappenummer
Wat je meet:
- Doelvolume van de etappe V (m³)
- Arbeid door gas in deze etappe (J)
Hoe het onderzoek verloopt
- Open de voorinstelling otto-cycle en druk op Herstel. 1 mol stikstof (f = 5) wordt samengeperst van 0.04 m³ naar 0.01 m³ en verwarmt daarna bij constant volume tot 900 K.
- Zet de aflezingen van arbeid en warmte 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
Rendement van de Ottocyclus — η = W / Qin
Voor een geïdealiseerde Ottocyclus hangt het rendement alleen af van de compressieverhouding r = V₁/V₂ en de verhouding van warmtecapaciteiten γ van het gas: η = 1 − 1/r^(γ−1). Hogere compressieverhoudingen geven hoger rendement.
Wat het uitprintbare werkblad leerlingen laat uitwerken
- Controleer dat etappe 2 en 4 (de isochore etappes) in je tabel W = 0 tonen, terwijl etappe 1 en 3 (adiabatisch) arbeid ongelijk aan nul tonen. Bereken de compressieverhouding r = V₁/V₂ = 4 en het rendement van de cyclus η = 1 − 1/r^(γ−1) met γ = 1.4.
- De netto arbeid van deze cyclus is positief, ook al verricht de helft van zijn etappes nul arbeid. Leg uit hoe de twee adiabatische etappes alleen al een netto positieve arbeidsopbrengst kunnen leveren.
Waar dit buiten het lab opduikt
- Echte benzinemotoren zijn beperkt tot compressieverhoudingen rond 10-12 (hogere verhoudingen veroorzaken voortijdige ontsteking/kloppen). Leg met η = 1 − 1/r^(γ−1) uit waarom motorontwerpers streven naar hogere compressieverhoudingen waar mogelijk.
- Een dieselmotor gebruikt een andere cyclus (isobare verwarming in plaats van isochoor) maar een soortgelijk idee van adiabatische compressie. Beide vertrouwen op adiabatische etappes om compressiearbeid in hogere temperaturen om te zetten. Waarom is het minimaliseren van warmteverlies tijdens de compressie voor beide ontwerpen belangrijk?
- 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 Otto-cyclus
- Selecteer het vat
- Druk op Start
- Kringproces van de benzinemotor
- 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