Thermodynamica
Stirlingcyclus
Twee isothermen + twee isochoren met regeneratie.
Stirlingcyclus — interactieve Thermodynamica-simulatie. Twee isothermen + twee isochoren met regeneratie. Gratis virtueel natuurkundelab in de browser met live SI-metingen en een begeleide rondleiding.
Stirlingcyclus
Twee isothermen + twee isochoren met regeneratie.
De Stirling-cyclus gebruikt een regenerator om warmte te slaan tijdens constant-volume stappen en die later terug te geven, wat in een ideaal ontwerp bij Carnot-achtige prestaties komt. Echte Stirling-motors ruilen complexiteit voor stillere werking en flexibele warmtebronnen.
- Twee isothermen + regeneratie
- η_Carnot in de ideale limiet
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 Stirlingcyclus gebruikt 2 isotherme etappes en 2 isochore etappes, helemaal geen adiabatische. Zijn rendement kan in principe de Carnot-waarde evenaren als een perfecte "regenerator" warmte hergebruikt tussen de isochore etappes. Blijft het rendement van de eenvoudige cyclus dat je meet zonder ideale regenerator achter bij de Carnot-grens?
Voorspellingen om te wegen
- Ja — zonder regenerator ligt het ruwe rendement van deze cyclus onder de Carnot-grens voor dezelfde twee reservoirtemperaturen.
- Het rendement is exact gelijk aan de Carnot-grens, ongeacht regeneratie.
- Het rendement overschrijdt de Carnot-grens.
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 stirling-cycle en druk op Herstel. 1 mol argon doorloopt een cyclus tussen 600 K en 300 K met alleen isotherme en isochore etappes.
- Zet de aflezing van de arbeid per etappe en de aflezing van het cyclusrendement 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-grens voor het cyclusrendement — η_c = 1 − Tc / Th
Geen enkele cyclus die werkt tussen de temperaturen Tc en Th — Stirling inbegrepen — kan het Carnot-rendement η_c = 1 − Tc/Th overschrijden. Een echte (niet-geregenereerde) Stirlingcyclus haalt deze grens niet omdat hij tijdens zijn isochore-koelingsetappe niet-teruggewonnen warmte dumpt.
Wat het uitprintbare werkblad leerlingen laat uitwerken
- Controleer dat etappe 2 en 4 (isochoor) W = 0 tonen. Tel de arbeid van alle 4 etappes op voor de netto cyclusarbeid en vergelijk de aflezing van het cyclusrendement met de Carnot-grens η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- Het ruwe rendement van deze cyclus (zonder ideale regenerator die de warmte van de isochore etappes terugwint) blijft onder 0.5. Leg met de eerste hoofdwet uit waarom de warmte die tijdens de isochore-koelingsetappe wordt gedumpt energie is die de eenvoudige machine niet terugwint.
Waar dit buiten het lab opduikt
- Een echte Stirlingmachine gebruikt een regenerator — een gaas dat warmte opslaat die vrijkomt tijdens de isochore koeling en teruggeeft tijdens de isochore verwarming. Leg uit waarom een perfecte regenerator deze cyclus tot nabij het Carnot-rendement zou laten komen, ook zonder adiabatische etappes.
- Stirlingmachines worden gewaardeerd omdat ze op elke externe warmtebron kunnen draaien (zon, restwarmte, zelfs temperatuurverschillen in de ruimte) in plaats van inwendige verbranding te vereisen. Waarom zou een gesloten cyclusmachine met externe verwarming voor die toepassingen aantrekkelijk zijn?
- 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 Stirling-cyclus
- Selecteer het vat
- Druk op Start
- Regeneratieve cyclus
- 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