Termodynamik

Kylmaskin (omvänd Carnot)

Kör baklänges: tillfört arbete pumpar värme kallt→varmt (COP = Tc/(Th−Tc)).

Kylmaskin (omvänd Carnot) — interaktiv Termodynamik-simulering. Kör baklänges: tillfört arbete pumpar värme kallt→varmt (COP = Tc/(Th−Tc)). Gratis virtuellt fysiklabb i webbläsaren med SI-mätningar i realtid och en guidad genomgång.

Kylmaskin-COP

Kör omvänt: tillfört arbete pumpar värme kall→varm (COP = Tc/(Th−Tc)).

Ett kylskåp är en värmemotor som körs baklänges: elektriskt arbete driver värme från det kalla inre utrymmet till det varma rummet. Värmefaktorn COP = Q_c/W kan överstiga 1 eftersom den pumpade värmen är större än det tillförda arbetet — till skillnad från verkningsgraden, som alltid är ≤ 1.

• COP = T_c/(T_h−T_c)
• Arbetsinsats

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

Att köra Carnotcykeln baklänges förvandlar en motor till ett kylskåp — nettoarbetet går IN i stället för ut. Absorberar gasen fortfarande värme från den kalla reservoaren, som ett riktigt kylskåp som drar värme ur sitt inre?

Förutsägelser att väga

• Nej — att vända cykeln vänder också vilken reservoar som absorberar värme.
• En omvänd cykel utbyter inte värme med någon av reservoarena.
• Ja — den omvända cykeln absorberar värme från den kalla sidan och dumpar mer värme i den varma sidan, med hjälp av det tillförda arbetet.

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 Carnot-kylskåpet och tryck på Återställ. Samma 4 etapper som i carnot-cycle körs i omvänd ordning.
2. Aktivera avläsningen av arbete per etapp samt avläsningarna av kyl-COP och värme-COP.
3. Läs för varje etapp av cykeln (1 till och med 4) av etappens målvolym och det arbete gasen utför under etappen.

Styrande ekvation

Kylmaskinens COP — COP = Tc / (Th − Tc)

En omvänd Carnotcykels kylprestanda mäts med COP_cool = Tc/(Th − Tc): hur mycket värme som avlägsnas från det kalla utrymmet per enhet tillfört arbete. Mindre temperaturgap ger bättre (högre) COP.

Det det utskrivbara arbetsbladet ber eleverna räkna ut

• Summera dina 4 etappers arbetsvärden — summan (nettoarbetet utfört AV gasen) bör bli negativ, vilket betyder att nettoarbete måste tillföras TILL gasen. Beräkna kyl-COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 och värme-COP = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Jämför etappordningen här med etappordningen i carnot-cycle. Förklara hur det bara att vända ordningen på samma 4 etapper förvandlar cykeln från en motor (nettoarbete ut) till ett kylskåp (nettoarbete in).

Var det här syns utanför labbet

• En kyl-COP på 1.0 betyder att kylskåpet flyttar 1 J värme ut ur det kalla utrymmet för varje 1 J tillfört arbete. En värme-COP på 2.0 (värmepumpsdrift) betyder att den levererar 2 J värme till det varma utrymmet per 1 J arbete. Förklara varför COP_heat alltid är exakt 1 mer än COP_cool för samma reservoarer.
• Till skillnad från en motors verkningsgrad (alltid ≤ 1) kan COP överstiga 1 — det är inte en kränkning av energibevarande. Förklara varför COP > 1 är möjligt: den extra energi som levereras kommer från reservoaren som kyls, inte från ingenting.

• 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 Carnotkylskåpet
2. Välj kammaren
3. Tryck på Spela upp
4. Kylmaskin-COP
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