Термодинамика

Цикл Карно

Самый эффективный цикл: η = 1 − Tc/Th.

Цикл Карно — интерактивная симуляция (Термодинамика). Самый эффективный цикл: η = 1 − Tc/Th. Бесплатная виртуальная физическая лаборатория в браузере с живыми измерениями в СИ и сопровождаемым туром.

КПД Карно

Самый эффективный цикл: η = 1 − Tc/Th.

Двигатель Карно работает обратимо между двумя резервуарами. Каждый участок — либо изотерма (теплообмен при фиксированном T), либо адиабата (без теплоты). Ни один реальный двигатель не может превзойти этот КПД, потому что необратимость тратит полезную энергию на производство энтропии.

• η = 1 − T_c/T_h
• Максимальный η

Краткое описание исследования

Спланируйте вопрос до открытия лаборатории

Краткое описание повторяет предрендеренную страницу: движущий вопрос, конкурирующие прогнозы, роли переменных, определяющие законы, ход работы, анализ и задания для развития остаются видимыми и в этом порядке.

Движущий вопрос

Двигатель Карно проводит газ через 4 участка (изотермическое расширение, адиабатное расширение, изотермическое сжатие, адиабатное сжатие) назад в исходное состояние. Меняется ли внутренняя энергия газа за один полный цикл?

Прогнозы для взвешивания

• Внутренняя энергия растёт за цикл, так как газ совершает чистую положительную работу.
• Внутренняя энергия возвращается к стартовому значению — нулевое чистое изменение за замкнутый цикл.
• Внутренняя энергия падает за цикл.

Роли переменных

Что вы задали:

• Номер участка

Что вы измеряете:

• Целевой объём участка V (L)
• Работа газа на участке (J)

Как идёт исследование

1. Откройте пресет carnot-cycle и нажмите «Сброс». 1 моль аргона (f = 3) циклически переходит между горячим резервуаром 600 K и холодным 300 K.
2. Включите показание работы по участкам.
3. Для каждого участка цикла (от 1 до 4) считайте целевой объём участка и работу, совершённую газом на этом участке.

Определяющее уравнение

КПД Карно — η_c = 1 − Tc / Th

Максимально возможный КПД любого теплового двигателя между горячим резервуаром Th и холодным Tc зависит только от их температурного отношения: η_c = 1 − Tc/Th.

Что печатный рабочий лист предлагает учащимся вывести

• Сложите значения работы всех 4 своих этапов. Сравните сумму с nR(Th − Tc)·ln(2) (приближённо, для отношений объёмов этого цикла), а КПД цикла η = W_net/Qin — со значением Карно η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• У двух участков работа положительна (расширение), у двух отрицательна (сжатие). Объясните, почему *чистая* работа за полный цикл всё равно положительна, делая это тепловым двигателем, а не пустым циклом.

Где это проявляется за пределами лаборатории

• Никакой реальный двигатель между теми же двумя температурами резервуаров не превзойдёт КПД Карно. Используя η_c = 1 − Tc/Th, объясните, почему двигатель мог бы достичь 100% КПД только при Tc = 0 K — физически недостижимо.
• Цикл Карно целиком построен из обратимых шагов (изотермы и адиабаты, обе идеализированы как бесконечно медленные). Объясните, почему реальный двигатель, в котором неизбежны трение и теплопередача конечной скорости, никогда не достигнет этого идеального КПД.

• 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. Добро пожаловать к циклу Карно
2. Выберите камеру
3. Нажмите Play
4. Максимальный КПД
5. Откройте панель свойств
6. Готово!

Откройте интерактивную симуляцию, чтобы собрать сцену, нажать Play и исследовать с живыми измерениями и сопровождаемым туром.

Открыть интерактивную лабораторию →

Скачать рабочий лист →

Тепловые двигатели и КПД Карно