Termodynamika

Cykl Carnota

Najbardziej wydajny cykl: η = 1 − Tc/Th.

Cykl Carnota — interaktywna symulacja: Termodynamika. Najbardziej wydajny cykl: η = 1 − Tc/Th. Bezpłatne wirtualne laboratorium fizyki w przeglądarce z pomiarami na żywo w SI i samouczkiem prowadzonym.

Sprawność Carnota

Najbardziej wydajny cykl: η = 1 − Tc/Th.

Silnik Carnota pracuje odwracalnie między dwoma zbiornikami. Każdy odcinek jest izotermiczny (wymiana ciepła przy stałym T) albo adiabatyczny (bez ciepła). Żaden prawdziwy silnik nie przekroczy tej sprawności, bo nieodwracalność marnuje użyteczną energię na produkcję entropii.

• η = 1 − T_c/T_h
• η maksymalny

Krótki opis badania

Zaplanuj pytanie, zanim otworzysz pracownię

Krótki opis odzwierciedla stronę statyczną: pytanie badawcze, konkurujące przewidywania, role zmiennych, prawo rządzące i co mierzyć.

Pytanie badawcze

Silnik Carnota przeprowadza gaz przez 4 odcinki (rozprężanie izotermiczne, rozprężanie adiabatyczne, sprężanie izotermiczne, sprężanie adiabatyczne) z powrotem do stanu startowego. Czy energia wewnętrzna gazu zmienia się po jednym pełnym cyklu?

Prognozy do rozważenia

• Energia wewnętrzna rośnie w cyklu, bo gaz wykonuje pracę netto dodatnią.
• Energia wewnętrzna wraca do wartości startowej — zerowa zmiana netto w cyklu zamkniętym.
• Energia wewnętrzna maleje w cyklu.

Role zmiennych

Co ustawiasz:

• Numer odcinka

Co mierzysz:

• Objętość docelowa odcinka V (L)
• Praca gazu w tym odcinku (J)

Jak przebiega badanie

1. Otwórz preset carnot-cycle i naciśnij Reset. 1 mol argonu (f = 3) cykluje między gorącym zbiornikiem 600 K a zimnym 300 K.
2. Włącz odczyt pracy per odcinek.
3. Dla każdego odcinka cyklu (1 do 4) odczytaj objętość docelową odcinka i pracę wykonaną przez gaz w tym odcinku.

Równanie rządzące

Sprawność Carnota — η_c = 1 − Tc / Th

Maksymalna możliwa sprawność dowolnego silnika cieplnego pracującego między gorącym zbiornikiem Th a zimnym Tc zależy wyłącznie od ich stosunku temperatur: η_c = 1 − Tc/Th.

Co karta do druku każe uczniom wyliczyć

• Zsumuj wartości pracy swoich 4 etapów. Porównaj sumę z nR(Th − Tc)·ln(2) (w przybliżeniu, dla stosunków objętości tego cyklu), a sprawność cyklu η = W_net/Qin — z wartością Carnota η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Dwa odcinki mają pracę dodatnią (rozprężanie) i dwa ujemną (sprężanie). Wyjaśnij, dlaczego praca *netto* w pełnym cyklu pozostaje dodatnia, czyniąc z tego silnik cieplny, a nie pętlę nic nierobiącą.

Gdzie to wychodzi poza pracownię

• Żaden rzeczywisty silnik pracujący między tymi samymi dwiema temperaturami zbiorników nie przebije sprawności Carnota. Używając η_c = 1 − Tc/Th, wyjaśnij, dlaczego silnik osiągnąłby 100% sprawności tylko przy Tc = 0 K — fizycznie nieosiągalnym.
• Cykl Carnota jest zbudowany w całości z kroków odwracalnych (izotermicznych i adiabatycznych, obu zidealizowanych jako nieskończenie wolne). Wyjaśnij, dlaczego prawdziwy silnik, który nieuchronnie ma tarcie i wymianę ciepła w skończonym tempie, nigdy nie osiągnie tej idealnej sprawności.

• 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. Witamy w cyklu Carnota
2. Zaznacz komorę
3. Naciśnij Play
4. Maksymalna sprawność
5. Otwórz panel Właściwości
6. Udało się!

Otwórz interaktywną symulację, zbuduj scenę, naciśnij Play i badaj z pomiarami na żywo oraz przewodnikiem.

Otwórz interaktywną pracownię →

Pobierz kartę pracy →

Silniki cieplne i sprawność Carnota