Termodynamika

Carnotov cyklus

Najúčinnejší cyklus: η = 1 − Tc/Th.

Carnotov cyklus — interaktívna simulácia Termodynamika. Najúčinnejší cyklus: η = 1 − Tc/Th. Bezplatné virtuálne fyzikálne laboratórium v prehliadači so živými SI meraniami a sprievodcom.

Carnotova účinnosť

Najúčinnejší cyklus: η = 1 − Tc/Th.

Carnotov motor pracuje vratne medzi dvoma zásobníkmi. Každý úsek je buď izotermický (výmena tepla pri pevnej T) alebo adiabatický (bez tepla). Žiadny skutočný motor nemôže prekonať túto účinnosť, pretože nevratnosť plytvá užitočnou energiou ako produkciu entropie.

• η = 1 − T_c/T_h
• Maximálne η

Prehľad skúmania

Naplánuj otázku ešte pred otvorením laboratória

Stručný opis zrkadlí predrenderovanú stránku: hlavná otázka, súťažiace predikcie, úlohy premenných, riadiace zákony, postavenie, analýza a rozširujúce podnety zostávajú viditeľné a v tomto poradí.

Hlavná otázka

Carnotov motor prevedie plyn cez 4 úseky (izotermické rozpínanie, adiabatické rozpínanie, izotermické stláčanie, adiabatické stláčanie) späť do štartovacieho stavu. Zmení sa vnútorná energia plynu cez jeden celý cyklus?

Predikcie na zváženie

• Vnútorná energia rastie cez cyklus, pretože plyn koná čisto kladnú prácu.
• Vnútorná energia sa vráti na štartovaciu hodnotu — nulová čistá zmena cez uzavretý cyklus.
• Vnútorná energia klesá cez cyklus.

Úlohy premenných

Čo nastavuješ:

• Číslo úseku

Čo meriaš:

• Cieľový objem úseku V (L)
• Práca vykonaná plynom v tomto úseku (J)

Ako skúmanie prebieha

1. Otvor predvolbu Carnotov cyklus a stlač Resetovať. 1 mol argónu (f = 3) cyklí medzi teplým zásobníkom 600 K a studeným zásobníkom 300 K.
2. Zapni odčítanie práce na úsek.
3. Pre každý úsek cyklu (1 až 4) odčítaj cieľový objem úseku a prácu vykonanú plynom počas toho úseku.

Riadiaca rovnica

Carnotova účinnosť — η_c = 1 − Tc / Th

Maximálna možná účinnosť akéhokoľvek tepelného motora pracujúceho medzi teplým zásobníkom Th a studeným zásobníkom Tc závisí len na ich teplotnom pomere: η_c = 1 − Tc/Th.

Čo má študentov naučiť tlačiteľný list

• Spočítaj hodnoty práce svojich 4 úsekov. Porovnaj celkovú sumu s nR(Th − Tc)·ln(2) (približne, pre objemové pomery tohto cyklu) a porovnaj účinnosť cyklu η = W_net/Qin s Carnotovou hodnotou η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Dva úseky majú kladnú prácu (rozpínanie) a dva zápornú (stláčanie). Vysvetli, prečo *čistá* práca cez celý cyklus je stále kladná, čím je to tepelný motor namiesto slučky, ktorá nerobí nič.

Kde sa to objavuje mimo laboratória

• Žiadny skutočný motor pracujúci medzi tými istými dvoma teplotami zásobníkov nemôže prekonať Carnotovu účinnosť. Vysvetli pomocou η_c = 1 − Tc/Th, prečo motor mohol dosiahnuť 100 % účinnosť len keby Tc = 0 K — fyzikálne nedosiahnuteľné.
• Carnotov cyklus je postavený výhradne z vratných krokov (izotermických a adiabatických, obe idealizované ako nekonečne pomalé). Vysvetli, prečo skutočný motor, ktorý nevyhnutne má trenie a prenos tepla konečnou rýchlosťou, sa nikdy celkom nedostane na túto ideálnu účinnosť.

• 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. Vitaj pri Carnotovom cykle
2. Vyber komoru
3. Stlač Prehrať
4. Maximálna účinnosť
5. Otvor panel Vlastnosti
6. Zvládol si to!

Otvor interaktívnu simuláciu na postavenie scény, stlač Prehrať a skúmaj so živými meraniami a sprievodcom.

Otvoriť interaktívne laboratórium →

Stiahnuť pracovný list →

Tepelné motory a Carnotova účinnosť