Termodinamika

Carnotov krožni proces

Najučinkovitejši krožni proces: η = 1 − Tc/Th.

Carnotov krožni proces — interaktivna simulacija Termodinamika. Najučinkovitejši krožni proces: η = 1 − Tc/Th. Brezplačen virtualni fizikalni laboratorij v brskalniku z živimi meritvami SI in vodenim vodnikom.

Carnotov izkoristek

Najučinkovitejši krožni proces: η = 1 − Tc/Th.

Carnotov stroj obratuje reverzibilno med dvema zalogovnikoma. Vsak krak je bodisi izotermen (izmenjava toplote pri fiksnem T) bodisi adiabaten (brez toplote). Noben pravi stroj ne more preseči tega izkoristka, ker nevratnost zapravlja koristno energijo kot produkcijo entropije.

• η = 1 − T_c/T_h
• Največji η

Oris preiskave

Načrtuj vprašanje, preden odpreš laboratorij

Oris zrcali predizrisano stran: vodilno vprašanje, tekmujoča predvidevanja, vloge spremenljivk, vodilni zakoni, priprava, analiza in pozivi k razširitvi ostanejo vidni in v tem vrstnem redu.

Vodilno vprašanje

Carnotov stroj vodi plin skozi 4 krake (izotermna ekspanzija, adiabatna ekspanzija, izotermno stiskanje, adiabatno stiskanje) nazaj v začetno stanje. Ali se notranja energija plina spremeni čez en celoten krog?

Predvidevanja za pretehtanje

• Notranja energija naraste čez krog, ker plin opravi neto pozitivno delo.
• Notranja energija se vrne na svojo začetno vrednost — nič neto spremembe čez zaprt krog.
• Notranja energija pade čez krog.

Vloge spremenljivk

Kaj nastaviš:

• Številka kraka

Kaj izmeriš:

• Ciljna prostornina kraka V (L)
• Delo, ki ga je plin opravil v tem kraku (J)

Kako poteka preiskava

1. Odpri prednastavitev carnot-cycle in pritisni Ponastavi. 1 mol argona (f = 3) kroži med točlim zalogovnikom 600 K in hladnim 300 K.
2. Omogoči odčitek dela po krakih.
3. Za vsak krak kroga (1 do 4) odčitaj ciljno prostornino kraka in delo, ki ga je plin opravil med tem krakom.

Vodilna enačba

Carnotov izkoristek — η_c = 1 − Tc / Th

Največji možni izkoristek katerega koli toplotnega stroja, ki obratuje med točlim zalogovnikom Th in hladnim Tc, je odvisen samo od njunega razmerja temperatur: η_c = 1 − Tc/Th.

Kaj natisnjivi delovni list od učencev zahteva izračunati

• Seštej svoje vrednosti dela 4 krakov. Primerjaj skupno z nR(Th − Tc)·ln(2) (približno, za razmerja prostornin tega kroga) in primerjaj izkoristek kroga η = W_net/Qin s Carnotovo vrednostjo η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0,5.
• Dva kraka imata pozitivno delo (ekspanzija) in dva negativno (stiskanje). Razloži, zakaj je *neto* delo čez cel krog še vedno pozitivno, kar naredi to toplotni stroj in ne zanka, ki ne stori nič.

Kje se to pokaže onkraj laboratorija

• Noben pravi stroj, ki obratuje med istima dvema temperaturama zalogovnikov, ne more preseči Carnotovega izkoristka. Z η_c = 1 − Tc/Th razloži, zakaj bi lahko stroj dosegel 100-odstotni izkoristek le, če bi bilo Tc = 0 K — fizikalno nedosegljivo.
• Carnotov krožni proces je zgrajen v celoti iz reverzibilnih korakov (izotermnih in adiabatnih, obojih idealiziranih kot neskončno počasnih). Razloži, zakaj pravi stroj, ki neizogibno ima trenje in prenos toplote s končno hitrostjo, nikoli čisto ne doseže tega idealnega izkoristka.

• 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. Dobrodošli pri Carnotovem krožnem procesu
2. Izberi komoro
3. Pritisni Predvajaj
4. Največji izkoristek
5. Odpri ploščo Lastnosti
6. Uspelo ti je!

Odpri interaktivno simulacijo, zgradi prizor, pritisni Predvajaj in raziskuj z živimi meritvami in vodenim vodnikom.

Odpri interaktivni laboratorij →

Prenesi delovni list →

Toplotni stroji in Carnotov izkoristek