Termodynamika

Chłodziarka (odwrócony Carnot)

Uruchom w odwrotnym kierunku: dostarczana praca pompuje ciepło z zimna ku ciepłu (COP = Tc/(Th−Tc)).

Chłodziarka (odwrócony Carnot) — interaktywna symulacja: Termodynamika. Uruchom w odwrotnym kierunku: dostarczana praca pompuje ciepło z zimna ku ciepłu (COP = Tc/(Th−Tc)). Bezpłatne wirtualne laboratorium fizyki w przeglądarce z pomiarami na żywo w SI i samouczkiem prowadzonym.

COP chłodziarki

Uruchom w odwrotnym kierunku: dostarczana praca pompuje ciepło z zimna ku ciepłu (COP = Tc/(Th−Tc)).

Lodówka to silnik cieplny uruchomiony odwrotnie: praca elektryczna pędzi ciepło z zimnego wnętrza do ciepłego pokoju. Współczynnik wydajności COP = Q_c/W może przekraczać 1, bo pompowane ciepło jest większe niż dostarczona praca — w przeciwieństwie do sprawności, zawsze ≤ 1.

• COP = T_c/(T_h−T_c)
• Praca doprowadzona

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

Bieg cyklu Carnota w tył zamienia silnik w chłodziarkę — praca netto wchodzi, zamiast wychodzić. Czy gaz nadal pobiera ciepło ze zbiornika zimnego, jak prawdziwa lodówka wyciągająca ciepło z wnętrza?

Prognozy do rozważenia

• Nie — odwrócenie cyklu odwraca też to, który zbiornik pobiera ciepło.
• Odwrócony cykl nie wymienia ciepła z żadnym zbiornikiem.
• Tak — odwrócony cykl pobiera ciepło ze strony zimnej i oddaje więcej ciepła stronie gorącej, używając do tego pracy wejściowej.

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 chłodziarki Carnota i naciśnij Reset. Te same 4 odcinki co w cyklu Carnota biegną w odwrotnej kolejności.
2. Włącz odczyt pracy per odcinek oraz odczyty COP chłodzenia/grzania.
3. Dla każdego odcinka cyklu (1 do 4) odczytaj objętość docelową odcinka i pracę wykonaną przez gaz w tym odcinku.

Równanie rządzące

Współczynnik wydajności chłodziarki — COP = Tc / (Th − Tc)

Wydajność chłodniczą odwróconego cyklu Carnota mierzy COP_cool = Tc/(Th − Tc): ile ciepła usuwa się z przestrzeni zimnej na jednostkę dostarczonej pracy. Mniejsze różnice temperatur dają lepszy (wyższy) COP.

Co karta do druku każe uczniom wyliczyć

• Zsumuj wartości pracy swoich 4 etapów — wynik (praca netto wykonana PRZEZ gaz) powinien wyjść ujemny: gazowi trzeba dostarczyć pracę netto. Oblicz chłodniczy COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 i grzewczy COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Porównaj kolejność odcinków z kolejnością cyklu Carnota. Wyjaśnij, jak samo odwrócenie sekwencji tych samych 4 odcinków przełącza cykl z silnika (praca netto na zewnątrz) w chłodziarkę (praca netto do wewnątrz).

Gdzie to wychodzi poza pracownię

• COP chłodzenia 1.0 znaczy, że chłodziarka wynosi 1 J ciepła z zimnej przestrzeni na każdy 1 J dostarczonej pracy. COP grzania 2.0 (tryb pompy ciepła) znaczy, że oddaje 2 J ciepła ciepłej przestrzeni na 1 J pracy. Wyjaśnij, dlaczego COP_grzania jest zawsze dokładnie o 1 większy niż COP_chłodzenia dla tych samych zbiorników.
• W przeciwieństwie do sprawności silnika (zawsze ≤ 1) COP może przekroczyć 1 — to nie łamie zasady zachowania energii. Wyjaśnij, dlaczego COP > 1 jest możliwe: dodatkowa energia dostarczana pochodzi ze schładzanego zbiornika, a nie z niczego.

• 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 chłodziarce Carnota
2. Zaznacz komorę
3. Naciśnij Play
4. COP chłodziarki
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