Termodynamik

carnotcykel

Den mest effektiva cykeln: η = 1 − Tc/Th.

carnotcykel — interaktiv Termodynamik-simulering. Den mest effektiva cykeln: η = 1 − Tc/Th. Gratis virtuellt fysiklabb i webbläsaren med SI-mätningar i realtid och en guidad genomgång.

carnot-verkningsgrad

Den mest effektiva cykeln: η = 1 − Tc/Th.

En Carnotmaskin arbetar reversibelt mellan två reservoarer. Varje delsteg är antingen isoterm (värmeutbyte vid fast T) eller adiabatiskt (ingen värme). Ingen verklig motor kan överstiga denna verkningsgrad eftersom irreversibilitet slösar användbar energi som entropiproduktion.

• η = 1 − T_c/T_h
• Maximal η

Undersökningsblad

Planera frågan innan du öppnar labbet

Sammanfattningen speglar den förrenderade sidan: drivande fråga, konkurrerande förutsägelser, variablernas roller, styrande lagar, uppställning, analys- och utvidgningsfrågor förblir synliga och i den här ordningen.

Drivande fråga

En Carnotmotor för gasen genom 4 etapper (isoterm expansion, adiabatisk expansion, isoterm kompression, adiabatisk kompression) tillbaka till starttillståndet. Ändras gasens inre energi över ett helt varv?

Förutsägelser att väga

• Den inre energin ökar över cykeln, eftersom gasen utför positivt nettoarbete.
• Den inre energin återgår till sitt startvärde — ingen nettoändring över en sluten cykel.
• Den inre energin minskar över cykeln.

Variablernas roller

Det du ställer in:

• Etappnummer

Det du mäter:

• Etappens målvolym V (L)
• Arbete utfört av gasen denna etapp (J)

Så går undersökningen till

1. Öppna förinställningen Carnotcykeln och tryck på Återställ. 1 mol argon (f = 3) cyklar mellan en 600 K varm reservoar och en 300 K kall reservoar.
2. Aktivera avläsningen av arbete per etapp.
3. Läs för varje etapp av cykeln (1 till och med 4) av etappens målvolym och det arbete gasen utför under etappen.

Styrande ekvation

Carnot-verkningsgrad — η_c = 1 − Tc / Th

Den största möjliga verkningsgraden för en värmemotor som arbetar mellan en varm reservoar Th och en kall reservoar Tc beror bara av deras temperaturförhållande: η_c = 1 − Tc/Th.

Det det utskrivbara arbetsbladet ber eleverna räkna ut

• Addera dina 4 etappers arbetsvärden. Jämför summan med nR(Th − Tc)·ln(2) (ungefärligt, för denna cykels volymförhållanden), och jämför cykelns verkningsgrad η = W_net/Qin med Carnot-värdet η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5.
• Två etapper har positivt arbete (expansion) och två har negativt (kompression). Förklara varför *netto*arbetet över hela cykeln ändå är positivt, vilket gör detta till en värmemotor i stället för en verkningslös loop.

Var det här syns utanför labbet

• Ingen verklig motor som arbetar mellan samma två reservoartemperaturer kan slå Carnot-verkningsgraden. Förklara, med η_c = 1 − Tc/Th, varför en motor bara skulle kunna nå 100 % verkningsgrad om Tc = 0 K — fysiskt onåbart.
• Carnotcykeln är uppbyggd helt av reversibla steg (isoterma och adiabatiska, båda idealiserade som oändligt långsamma). Förklara varför en verklig motor, som oundvikligen har friktion och värmeöverföring med ändlig hastighet, aldrig riktigt når denna ideala verkningsgrad.

• 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. Välkommen till Carnotcykeln
2. Välj kammaren
3. Tryck på Spela upp
4. Maximal verkningsgrad
5. Öppna panelen Egenskaper
6. Klart!

Öppna den interaktiva simuleringen för att bygga scenen, tryck på Spela och utforska med mätningar i realtid och en guidad genomgång.

Öppna interaktivt labb →

Ladda ner labblad →

Värmemotorer & Carnot-verkningsgrad