Термодинамика

Холодильная машина (обращённый Карно)

Запустите в обратную сторону: подводимая работа перекачивает тепло от холодного к горячему (COP = Tc/(Th−Tc)).

Холодильная машина (обращённый Карно) — интерактивная симуляция (Термодинамика). Запустите в обратную сторону: подводимая работа перекачивает тепло от холодного к горячему (COP = Tc/(Th−Tc)). Бесплатная виртуальная физическая лаборатория в браузере с живыми измерениями в СИ и сопровождаемым туром.

Холодильный коэффициент

Запустите в обратную сторону: подводимая работа перекачивает тепло от холодного к горячему (COP = Tc/(Th−Tc)).

Холодильник — это тепловой двигатель, запущенный назад: электрическая работа гонит тепло из холодной камеры в тёплую комнату. Коэффициент полезного действия COP = Q_c/W может превышать 1, потому что перекачанное тепло больше подведённой работы — в отличие от КПД, который всегда ≤ 1.

• COP = T_c/(T_h−T_c)
• Подводимая работа

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

Запуск цикла Карно назад превращает двигатель в холодильник — чистая работа входит, а не выходит. Всё ли ещё газ поглощает теплоту из холодного резервуара, как настоящий холодильник, выкачивающий теплоту из своей камеры?

Прогнозы для взвешивания

• Нет — обращение цикла также меняет местами резервуары поглощения теплоты.
• Обращённый цикл не обменивается теплотой ни с одним резервуаром.
• Да — обращённый цикл поглощает теплоту с холодной стороны и сбрасывает больше теплоты на горячую, используя для этого подводимую работу.

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 холодильной машины Карно и нажмите «Сброс». Те же 4 участка, что в цикле Карно, идут в обратном порядке.
2. Включите показание работы по участкам и показания холодильного/отопительного коэффициента.
3. Для каждого участка цикла (от 1 до 4) считайте целевой объём участка и работу, совершённую газом на этом участке.

Определяющее уравнение

Холодильный коэффициент производительности — COP = Tc / (Th − Tc)

Холодильная производительность обращённого цикла Карно измеряется величиной COP_cool = Tc/(Th − Tc): сколько тепла отводится из холодной части на единицу подведённой работы. Чем меньше перепад температур, тем лучше (выше) COP.

Что печатный рабочий лист предлагает учащимся вывести

• Просуммируйте значения работы всех 4 этапов — итог (чистая работа, совершённая ГАЗОМ) должен выйти отрицательным: газу нужно подводить чистую работу. Вычислите холодильный COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 и отопительный COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Сравните порядок участков здесь с порядком в цикле Карно. Объясните, как простое обращение последовательности тех же 4 участков превращает цикл из двигателя (чистая работа наружу) в холодильник (чистая работа внутрь).

Где это проявляется за пределами лаборатории

• Холодильный коэффициент 1.0 значит, что холодильник выносит 1 J теплоты из холодного пространства на каждый 1 J подведённой работы. Отопительный коэффициент 2.0 (режим теплового насоса) значит доставку 2 J теплоты в тёплое пространство на 1 J работы. Объясните, почему COP_heat всегда ровно на 1 больше COP_cool для тех же резервуаров.
• В отличие от КПД двигателя (всегда ≤ 1), COP может превышать 1 — и это не нарушение сохранения энергии. Объясните, почему COP > 1 возможен: дополнительная доставленная энергия берётся из охлаждаемого резервуара, а не создаётся из ничего.

• 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 холодильнику Карно
2. Выберите камеру
3. Нажмите Play
4. Холодильный коэффициент
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