Termodynamika

Stirlingov cyklus

Dve izotermy + dve izochory s regeneráciou.

Stirlingov cyklus — interaktívna simulácia Termodynamika. Dve izotermy + dve izochory s regeneráciou. Bezplatné virtuálne fyzikálne laboratórium v prehliadači so živými SI meraniami a sprievodcom.

Stirlingov cyklus

Dve izotermy + dve izochory s regeneráciou.

Stirlingov cyklus používa regenerátor na uskladnenie tepla počas krokov pri konštantnom objeme a jeho vrátenie neskôr, čím sa v ideálnom návrhu približuje výkonu Carnotovho cyklu. Skutočné Stirlingove motory vymieňajú zložitosť za tichšiu prevádzku a flexibilné zdroje tepla.

• Dve izotermy + regenerácia
• η_Carnot pri ideálnom limite

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

Stirlingov cyklus používa 2 izotermické a 2 izochorické úseky, žiadne adiabatické. Jeho účinnosť môže v princípe dosiahnuť Carnotovu hodnotu, keď dokonaly „regenerátor“ recykluje teplo medzi izochorickými úsekmi. Bez ideálneho regenerátora zaostáva jednoduchá nameraná účinnosť cyklu za Carnotovou hranicou?

Predikcie na zváženie

• Áno — bez regenerátora je surová účinnosť tohto cyklu pod Carnotovým limitom pre tie isté dve teploty zásobníkov.
• Účinnosť sa presne rovná Carnotovmu limitu bez ohľadu na regeneráciu.
• Účinnosť presahuje Carnotov limit.

Úlohy premenných

Čo nastavuješ:

• Číslo úseku

Čo meriaš:

• Cieľový objem úseku V (m³)
• Práca vykonaná plynom v tomto úseku (J)

Ako skúmanie prebieha

1. Otvor predvolbu Stirlingov cyklus a stlač Resetovať. 1 mol argónu cyklí medzi 600 K a 300 K len izotermickými a izochorickými úsekmi.
2. Zapni odčítanie práce na úsek a odčítanie účinnosti cyklu.
3. Pre každý úsek cyklu (1 až 4) odčítaj cieľový objem úseku a prácu vykonanú plynom počas toho úseku.

Riadiaca rovnica

Carnotova hranica účinnosti cyklu — η_c = 1 − Tc / Th

Žiadny cyklus pracujúci medzi teplotami Tc a Th — vrátane Stirlingovho — nemôže prekonať Carnotovu účinnosť η_c = 1 − Tc/Th. Skutočný (neregenerovaný) Stirlingov cyklus zaostáva za touto hranicou, pretože vypúšťa nevyužité teplo počas úseku izochorického chladenia.

Čo má študentov naučiť tlačiteľný list

• Potvrď, že úseky 2 a 4 (izochorické) ukazujú W = 0. Spočítaj prácu všetkých 4 úsekov na čistú prácu cyklu a porovnaj odčítanie účinnosti cyklu s Carnotovou hranicou η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
• Surová účinnosť tohto cyklu (bez ideálneho regenerátora zachytávajúceho teplo izochorických úsekov) zostáva pod 0.5. Vysvetli pomocou prvého zákona, prečo teplo vypustené počas úseku izochorického chladenia predstavuje energiu, ktorú jednoduchý motor nevyužije.

Kde sa to objavuje mimo laboratória

• Skutočný Stirlingov motor používa regenerátor — mriežku, ktorá ukladá teplo uvoľnené počas izochorického chladenia a vracia ho počas izochorického zohrievania. Vysvetli, prečo dokonalý regenerátor by dovolil tomuto cyklu priblížiť sa Carnotovej účinnosti aj bez adiabatických úsekov.
• Stirlingove motory sú cenené pre beh na akýkoľvek vonkajší zdroj tepla (solárny, odpadné teplo, dokonca teplotné rozdiely vo vesmíre) namiesto požiadavky vnútorného spaľovania. Prečo môže byť uzavretý cyklus s vonkajším ohrevom atraktívny pre tieto aplikácie?

• 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 Stirlingovom cykle
2. Vyber komoru
3. Stlač Prehrať
4. Regeneratívny cyklus
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