Termodynamika

Cykl Otta

Cykl silnika benzynowego: dwie adiabaty + dwie izochory.

Cykl Otta — interaktywna symulacja: Termodynamika. Cykl silnika benzynowego: dwie adiabaty + dwie izochory. Bezpłatne wirtualne laboratorium fizyki w przeglądarce z pomiarami na żywo w SI i samouczkiem prowadzonym.

Cykl Otta

Cykl silnika benzynowego: dwie adiabaty + dwie izochory.

Cykl Otta modeluje silnik o zapłonie iskrowym: szybkie spalanie przy niemal stałej objętości podnosi ciśnienie, po czym następuje adiabatyczne rozprężanie wykonujące pracę, a potem wydech w stałej objętości. Jest mniej sprawny niż Carnot przy tych samych ekstremach temperatur, bo ciepło jest dostarczane w zmiennej temperaturze.

• η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
• Silnik benzynowy

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

Cykl Otta (sprężanie adiabatyczne, nagrzewanie izochoryczne, rozprężanie adiabatyczne, chłodzenie izochoryczne) modeluje silnik benzynowy. W przeciwieństwie do cyklu Carnota dwa jego odcinki są w stałej objętości, a nie stałej temperaturze. Czy w tych odcinkach stałej objętości gaz wykonuje pracę?

Prognozy do rozważenia

• Praca wciąż jest wykonywana, bo ciśnienie zmienia się w tych odcinkach.
• Odcinki stałej objętości wykonują pracę ujemną.
• Na etapach o stałej objętości nie wykonywana jest żadna praca, ponieważ W = PΔV i ΔV = 0.

Role zmiennych

Co ustawiasz:

• Numer odcinka

Co mierzysz:

• Objętość docelowa odcinka V (m³)
• Praca gazu w tym odcinku (J)

Jak przebiega badanie

1. Otwórz preset otto-cycle i naciśnij Reset. 1 mol azotu (f = 5) spręża się z 0.04 m³ do 0.01 m³, a potem grzeje się przy stałej objętości do 900 K.
2. Włącz odczyty pracy i ciepła 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 cyklu Otta — η = W / Qin

Dla zidealizowanego cyklu Otta sprawność zależy tylko od stopnia sprężania r = V₁/V₂ i stosunku ciepłów właściwych gazu γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Wyższe stopnie sprężania dają wyższą sprawność.

Co karta do druku każe uczniom wyliczyć

• Potwierdź, że etapy 2 i 4 (izochoryczne) pokazują W = 0 w twojej tabeli, a etapy 1 i 3 (adiabatyczne) pracę niezerową. Oblicz stopień sprężania r = V₁/V₂ = 4 i sprawność cyklu η = 1 − 1/r^(γ−1) przy γ = 1.4.
• Praca netto tego cyklu jest dodatnia, choć połowa odcinków wykonuje zerową pracę. Wyjaśnij, jak same dwa odcinki adiabatyczne mogą dać dodatnią pracę wyjściową netto.

Gdzie to wychodzi poza pracownię

• Prawdziwe silniki benzynowe są ograniczone do stopni sprężania około 10–12 (wyższe stopnie powodują zapłon wyprzedzający/stukanie). Używając η = 1 − 1/r^(γ−1), wyjaśnij, dlaczego konstruktorzy silników dążą do wyższych stopni sprężania, kiedy to możliwe.
• Silnik Diesla używa innego cyklu (nagrzewanie izobaryczne zamiast izochorycznego), ale podobnej idei sprężania adiabatycznego. Oba polegają na odcinkach adiabatycznych, by zamienić pracę sprężania na wyższe temperatury. Dlaczego minimalizowanie strat ciepła w sprężaniu jest ważne dla obu konstrukcji?

• 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 Otta
2. Zaznacz komorę
3. Naciśnij Play
4. Cykl silnika benzynowego
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