Termodynamika

Cykl Stirlinga

Dwie izotermy + dwie izochory z regeneracją.

Cykl Stirlinga — interaktywna symulacja: Termodynamika. Dwie izotermy + dwie izochory z regeneracją. Bezpłatne wirtualne laboratorium fizyki w przeglądarce z pomiarami na żywo w SI i samouczkiem prowadzonym.

Cykl Stirlinga

Dwie izotermy + dwie izochory z regeneracją.

Cykl Stirlinga używa regeneratora, by magazynować ciepło w krokach stałej objętości i oddać je później, zbliżając się w idealnym projekcie do osiągów Carnota. Prawdziwe silniki Stirlinga wymieniają złożoność na cichszą pracę i elastyczne źródła ciepła.

• Dwie izotermy + regeneracja
• η_Carnota w granicy idealnej

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 Stirlinga używa 2 odcinków izotermicznych i 2 izochorycznych, bez żadnych adiabatycznych. Jego sprawność w zasadzie może dorównać wartości Carnota, jeśli idealny „regenerator” recyklinguje ciepło między odcinkami izochorycznymi. Bez idealnego regeneratora, czy prosta sprawność cyklu, którą mierzysz, pozostaje poniżej granicy Carnota?

Prognozy do rozważenia

• Tak — bez regeneratora surowa sprawność tego cyklu jest poniżej granicy Carnota dla tych samych dwóch temperatur zbiorników.
• Sprawność dokładnie równa się granicy Carnota niezależnie od regeneracji.
• Sprawność przekracza granicę Carnota.

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 cyklu Stirlinga i naciśnij Reset. 1 mol argonu cykluje między 600 K i 300 K, używając wyłącznie odcinków izotermicznych i izochorycznych.
2. Włącz odczyt pracy per odcinek i odczyt sprawności cyklu.
3. Dla każdego odcinka cyklu (1 do 4) odczytaj objętość docelową odcinka i pracę wykonaną przez gaz w tym odcinku.

Równanie rządzące

Granica Carnota dla sprawności cyklu — η_c = 1 − Tc / Th

Żaden cykl pracujący między temperaturami Tc i Th — łącznie ze Stirlinga — nie może przekroczyć sprawności Carnota η_c = 1 − Tc/Th. Prawdziwy (bez regeneracji) cykl Stirlinga nie sięga tej granicy, bo wyrzuca odzyskane nieciepło podczas izochorycznego etapu chłodzenia.

Co karta do druku każe uczniom wyliczyć

• Potwierdź, że etapy 2 i 4 (izochoryczne) pokazują W = 0. Zsumuj pracę wszystkich 4 etapów jako pracę netto cyklu i porównaj odczyt sprawności cyklu z granicą Carnota η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Surowa sprawność tego cyklu (bez idealnego regeneratora odzyskującego ciepło odcinków izochorycznych) pozostaje poniżej 0.5. Pierwszą zasadą wyjaśnij, dlaczego ciepło wyrzucone w odcinku chłodzenia izochorycznego to energia, której prosty silnik nie odzyskuje.

Gdzie to wychodzi poza pracownię

• Prawdziwy silnik Stirlinga używa regeneratora — siatki magazynującej ciepło oddane w chłodzeniu izochorycznym i zwracającej je w nagrzewaniu izochorycznym. Wyjaśnij, dlaczego idealny regenerator pozwoliłby temu cyklowi zbliżyć się do sprawności Carnota nawet bez odcinków adiabatycznych.
• Silniki Stirlinga cenione są za pracę na dowolnym zewnętrznym źródle ciepła (słońce, ciepło odpadowe, nawet różnice temperatur w kosmosie) zamiast wymagać spalania wewnętrznego. Dlaczego silnik cyklu zamkniętego z ogrzewaniem zewnętrznym może być atrakcyjny dla tych zastosowań?

• 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 Stirlinga
2. Zaznacz komorę
3. Naciśnij Play
4. Cykl regeneratywny
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