Termodinâmica
Ciclo Stirling
Duas isotermas + duas isocóricas com regeneração.
Ciclo Stirling — simulação interativa de Termodinâmica. Duas isotermas + duas isocóricas com regeneração. Laboratório virtual de física gratuito no navegador com medições SI ao vivo e tutorial guiado.
ciclo Stirling
Duas isotérmicas + duas isocóricas com regeneração.
O ciclo Stirling usa um regenerador para armazenar calor durante as etapas de volume constante e devolvê-lo depois, aproximando-se de um desempenho semelhante ao de Carnot em um design ideal. Motores Stirling reais trocam complexidade por operação mais silenciosa e fontes de calor flexíveis.
- Two isotherms + regeration
- η_Carnot no limite ideal
Resumo da investigação
Planeje a pergunta antes de abrir o laboratório
O resumo espelha a página pré-renderizada: a pergunta orientadora, as previsões concorrentes, os papéis das variáveis, as leis governantes, a configuração e os prompts de análise e extensão permanecem visíveis e nesta ordem.
Pergunta de direção
O ciclo Stirling usa etapas isotérmicas 2 e etapas isocóricas 2 , sem etapas adiabáticas. Sua eficiência pode, em princípio, corresponder ao valor de Carnot se um “regenerador” perfeito reciclar o calor entre as etapas isocóricas. Sem um regenerador ideal, a eficiência do ciclo simples que você mede fica aquém do limite de Carnot?
Previsões para pesar
- Sim – sem regenerador, a eficiência bruta deste ciclo está abaixo do limite de Carnot para as mesmas duas temperaturas do reservatório.
- A eficiência é exatamente igual ao limite de Carnot, independentemente da regeneração.
- A eficiência excede o limite de Carnot.
Papéis variáveis
O que você definiu:
- Número da etapa
O que você mede:
- Volume alvo da etapa V (m³)
- Trabalho realizado pelo gás nesta etapa (J)
Como funciona a investigação
- Abra a predefinição do ciclo Stirling e pressione Redefinir. 1 mol de argônio circula entre 600 K e 300 K usando apenas etapas isotérmicas e isocóricas.
- Ative a leitura do trabalho por etapa e a leitura da eficiência do ciclo.
- Para cada etapa do ciclo (1 a 4), leia o volume alvo da etapa e o trabalho realizado pelo gás durante essa etapa.
Equação governante
Carnot vinculado à eficiência do ciclo — η_c = 1 − Tc / Th
Nenhum ciclo operando entre temperaturas Tc e Th - incluindo Stirling - pode exceder a eficiência de Carnot η_c = 1 − Tc/Th. Um ciclo Stirling real (não regenerado) fica aquém desse limite porque libera calor não recuperado durante sua etapa de resfriamento isocórico.
O que a planilha para impressão pede aos alunos que resolvam
- Confirme que as 2 etapas e 4 (isocóricas) mostram W = 0. Some todo o trabalho de 4 legs para o trabalho do ciclo líquido e compare a leitura da eficiência do ciclo com o limite de Carnot η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- A eficiência bruta deste ciclo (sem um regenerador ideal que recupere o calor das etapas isocóricas) fica abaixo de 0.5. Explique, usando a primeira lei, por que o calor liberado durante a etapa de resfriamento isocórico representa energia que o motor simples não recupera.
Onde isso aparece além do laboratório
- Um motor Stirling real usa um regenerador – uma malha que armazena o calor liberado durante o resfriamento isocórico e o retorna durante o aquecimento isocórico. Explique por que um regenerador perfeito permitiria que este ciclo se aproximasse da eficiência de Carnot mesmo sem etapas adiabáticas.
- Os motores Stirling são valorizados por funcionarem com qualquer fonte de calor externa (solar, calor residual, até mesmo diferenças de temperatura no espaço), em vez de exigirem combustão interna. Por que um motor de ciclo fechado com aquecimento externo pode ser atraente para essas aplicações?
- 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
- Bem-vindo ao ciclo Stirling
- Selecione a câmara
- Pressione Reproduzir
- ciclo regenerativo
- Abra o Inspetor
- Você conseguiu!
Abra a simulação interativa para construir a cena, pressione Reproduzir e explore com medições em tempo real e um tutorial guiado.
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Motores Térmicos & Eficiência de Carnot