Термодинамика

Цикл Стирлинга

Две изотермы + две изохоры с регенерацией.

Цикл Стирлинга — интерактивная симуляция (Термодинамика). Две изотермы + две изохоры с регенерацией. Бесплатная виртуальная физическая лаборатория в браузере с живыми измерениями в СИ и сопровождаемым туром.

Цикл Стирлинга

Две изотермы + две изохоры с регенерацией.

Цикл Стирлинга использует регенератор, чтобы запасать теплоту на изохорных участках и возвращать её позже, приближаясь в идеальном дизайне к характеристикам Карно. Реальные двигатели Стирлинга меняют сложность на тишину работы и гибкие источники теплоты.

• Две изотермы + регенерация
• η_Карно в идеальном пределе

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 Стирлинга использует 2 изотермических и 2 изохорных участка, совсем без адиабат. Его КПД в принципе может совпасть со значением Карно, если идеальный «регенератор» рециркулирует теплоту между изохорными участками. Без идеального регенератора уступает ли измеренная эффективность простого цикла пределу Карно?

Прогнозы для взвешивания

• Да — без регенератора сырой КПД этого цикла ниже предела Карно для тех же двух температур резервуаров.
• КПД точно равен пределу Карно независимо от регенерации.
• КПД превышает предел Карно.

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 цикла Стирлинга и нажмите «Сброс». 1 mol аргона циклирует между 600 K и 300 K, используя только изотермические и изохорные участки.
2. Включите показание работы по участкам и показание КПД цикла.
3. Для каждого участка цикла (от 1 до 4) считайте целевой объём участка и работу, совершённую газом на этом участке.

Определяющее уравнение

Предел Карно для КПД цикла — η_c = 1 − Tc / Th

Никакой цикл между температурами Tc и Th — включая Стирлинга — не может превысить КПД Карно η_c = 1 − Tc/Th. Реальный (без регенерации) цикл Стирлинга не дотягивает до этого предела, потому что сбрасывает невозвращённое тепло на изохорном этапе охлаждения.

Что печатный рабочий лист предлагает учащимся вывести

• Убедитесь, что этапы 2 и 4 (изохорные) показывают W = 0. Просуммируйте работу всех 4 этапов — это чистая работа цикла — и сравните показание КПД цикла с пределом Карно η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Сырой КПД этого цикла (без идеального регенератора, возвращающего теплоту изохорных участков) остаётся ниже 0.5. По первому началу объясните, почему сброшенная на изохорном охлаждении теплота — это энергия, которую простой двигатель не восстанавливает.

Где это проявляется за пределами лаборатории

• Реальный двигатель Стирлинга использует регенератор — сетку, запасающую теплоту, выделенную при изохорном охлаждении, и возвращающую её при изохорном нагреве. Объясните, почему идеальный регенератор позволил бы этому циклу приблизиться к КПД Карно даже без адиабатных участков.
• Двигатели Стирлинга ценятся за способность работать от любого внешнего источника теплоты (солнце, отходящее тепло и даже перепады температур в космосе), не требуя внутреннего сгорания. Почему замкнутый цикл с внешним нагревом привлекателен для таких применений?

• 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 Стирлинга
2. Выберите камеру
3. Нажмите Play
4. Регенеративный цикл
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