Термодинамика

Цикл Отто

Цикл бензинового двигателя: две адиабаты + две изохоры.

Цикл Отто — интерактивная симуляция (Термодинамика). Цикл бензинового двигателя: две адиабаты + две изохоры. Бесплатная виртуальная физическая лаборатория в браузере с живыми измерениями в СИ и сопровождаемым туром.

Цикл Отто

Цикл бензинового двигателя: две адиабаты + две изохоры.

Цикл Отто моделирует двигатель с искровым зажиганием: быстрое сгорание почти при постоянном объёме поднимает давление, затем адиабатное расширение совершает работу, потом выпуск при постоянном объёме. Он менее эффективен, чем Карно при тех же температурных пределах, потому что теплота подводится при меняющейся температуре.

• η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
• Бензиновый двигатель

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

Цикл Отто (адиабатное сжатие, изохорный нагрев, адиабатное расширение, изохорное охлаждение) моделирует бензиновый двигатель. В отличие от цикла Карно, два его участка идут при постоянном объёме, а не температуре. Совершает ли газ работу на этих изохорных участках?

Прогнозы для взвешивания

• Работа всё равно совершается, потому что давление меняется на этих участках.
• Изохорные участки совершают отрицательную работу.
• На изобарных участках постоянного объёма работа не совершается, поскольку W = PΔV и ΔV = 0.

Роли переменных

Что вы задали:

• Номер участка

Что вы измеряете:

• Целевой объём участка V (m³)
• Работа газа на участке (J)

Как идёт исследование

1. Откройте пресет otto-cycle и нажмите «Сброс». 1 моль азота (f = 5) сжимается с 0.04 м³ до 0.01 м³, затем нагревается при постоянном объёме до 900 K.
2. Включите показания работы и теплоты 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 цикла Отто — η = W / Qin

Для идеализированного цикла Отто КПД зависит только от степени сжатия r = V₁/V₂ и отношения теплоёмкостей газа γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Чем выше степень сжатия, тем выше КПД.

Что печатный рабочий лист предлагает учащимся вывести

• Убедитесь, что этапы 2 и 4 (изохорные) показывают W = 0 в вашей таблице, а этапы 1 и 3 (адиабатные) — ненулевую работу. Вычислите степень сжатия r = V₁/V₂ = 4 и КПД цикла η = 1 − 1/r^(γ−1) при γ = 1.4.
• Чистая работа этого цикла положительна, хотя половина участков даёт нулевую работу. Объясните, как одни лишь две адиабаты могут дать чистый положительный выход работы.

Где это проявляется за пределами лаборатории

• Реальные бензиновые двигатели ограничены степенью сжатия около 10–12 (большие значения вызывают преждевременное воспламенение/детонацию). Используя η = 1 − 1/r^(γ−1), объясните, почему конструкторы двигателей стремятся к более высоким степеням сжатия, когда это возможно.
• Дизельный двигатель использует другой цикл (изобарный нагрев вместо изохорного), но ту же идею адиабатного сжатия. Оба полагаются на адиабатные участки, превращающие работу сжатия в более высокие температуры. Почему минимизация потерь теплоты при сжатии важна для обоих конструкций?

• 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 Отто
2. Выберите камеру
3. Нажмите Play
4. Цикл бензинового двигателя
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