Cykl Otta: zidealizowany model silnika benzynowego

1 · Prognoza

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?

2 · Przygotowanie

  1. Otwórz preset otto-cycle i naciśnij Reset. 1 mol azotu (f = 5) spręża się z 40 L do 10 L, 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.

3 · Zbieranie danych

Numer odcinkaObjętość docelowa odcinka V (L)Praca gazu w tym odcinku (J)
1
2
3
4

Naszkicuj wykres P–V dla wszystkich 4 odcinków. Zaznacz, które odcinki to segmenty stałej objętości (pionowe) i potwierdź, że Twoje odczyty pracy są tam 0.

4 · Analiza

  1. 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.
  2. Praca netto tego cyklu jest dodatnia, choć połowa odcinków wykonuje zerową pracę. Wyjaśnij, jak same dwa odcinki adiabatyczne mogą dać dodatnią pracę wyjściową netto.

5 · Rozszerzenie

  1. 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.
  2. 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?

Fizyka tego eksperymentu

Sprawność cyklu Otta

Zmierzona sprawność silnika to η = W/Q_in — praca netto na jednostkę pochłoniętego ciepła; dokładnie to pokazuje cytowany wzór i to oblicza twoja tabela danych. W zidealizowanym cyklu Otta sprawność zależy tylko od stopnia sprężania r = V₁/V₂ i stosunku ciepła właściwego γ: η = 1 − 1/r^(γ−1) — większe sprężanie, wyższa sprawność.

← Wróć do eksperymentu

Termodynamika

138 bezpłatnych kart pracy z fizyki do druku