อุณหพลศาสตร์
วัฏจักรคาร์โนต์
วัฏจักรที่มีประสิทธิภาพสูงสุด: η = 1 − Tc/Th
วัฏจักรคาร์โนต์ — การจำลองอุณหพลศาสตร์แบบโต้ตอบ วัฏจักรที่มีประสิทธิภาพสูงสุด: η = 1 − Tc/Th ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์เสมือนบนเบราว์เซอร์ที่ใช้ฟรี พร้อมการวัด SI แบบสดและบทแนะนำ
ประสิทธิภาพคาร์โนต์
วัฏจักรที่มีประสิทธิภาพสูงสุด: η = 1 − Tc/Th
เครื่องยนต์คาร์โนต์ทำงานแบบย้อนกลับได้ระหว่างแหล่งกักเก็บสองแหล่ง แต่ละขั้นเป็นไอโซเทอร์มอล (แลกเปลี่ยนความร้อนที่ T คงที่) หรืออะเดียแบติก (ไม่มีความร้อน) ไม่มีเครื่องยนต์จริงใดเกินประสิทธิภาพนี้ได้ เพราะความไม่ย้อนกลับทิ้งพลังงานที่ใช้การไม่ได้เป็นการผลิตเอนโทรปี
- η = 1 − T_c/T_h
- η สูงสุด
สรุปการสืบสวน
วางแผนคำถามก่อนเปิดห้องแล็บ
บทสรุปสะท้อนหน้าที่เรนเดอร์ล่วงหน้า คำถามขับเคลื่อน คำทำนายที่ขัดแย้งกัน บทบาทตัวแปร กฎที่ควบคุม การตั้งค่า การวิเคราะห์ และโจทย์ต่อยอดยังแสดงและเรียงตามลำดับนี้
คำถามขับเคลื่อน
เครื่องจักรคาร์โนต์พาแก๊สผ่าน 4 ขั้น (ขยายตัวอุณหภูมิคงที่ ขยายตัวอะเดียแบติก อัดตัวอุณหภูมิคงที่ อัดตัวอะเดียแบติก) กลับสู่สถานะเริ่มต้น พลังงานภายในของแก๊สเปลี่ยนแปลงหรือไม่ในหนึ่งวัฏจักรสมบูรณ์
คำทำนายที่ต้องชั่งใจ
- พลังงานภายในเพิ่มขึ้นตลอดวัฏจักร เพราะแก๊สทำงานสุทธิบวก
- พลังงานภายในกลับสู่ค่าเริ่มต้น — เปลี่ยนแปลงสุทธิเป็นศูนย์ในวัฏจักรปิด
- พลังงานภายในลดลงตลอดวัฏจักร
บทบาทของตัวแปร
สิ่งที่คุณตั้ง:
- ลำดับขั้น
สิ่งที่คุณวัด:
- ปริมาตรเป้าหมายของขั้น V (L)
- งานที่แก๊สทำในขั้นนี้ (J)
การสืบสวนดำเนินไปอย่างไร
- เปิดพรีเซ็ท carnot-cycle แล้วกดรีเซ็ต อาร์กอน 1 mol (f = 3) วนรอบระหว่างแหล่งร้อน 600 K กับแหล่งเย็น 300 K
- เปิดค่าแสดงงานรายขั้น
- สำหรับทุกขั้นของวัฏจักร (1 ถึง 4) อ่านปริมาตรเป้าหมายของขั้นและงานที่แก๊สทำในขั้นนั้น
สมการควบคุม
ประสิทธิภาพคาร์โนต์ — η_c = 1 − Tc / Th
ประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่ทำงานระหว่างแหล่งร้อน Th กับแหล่งเย็น Tc ขึ้นกับอัตราส่วนอุณหภูมิของทั้งสองเท่านั้น: η_c = 1 − Tc/Th
สิ่งที่ใบงานพิมพ์ได้ให้นักเรียนคิด
- จงรวมค่างานของทั้ง 4 ช่วง เทียบผลรวมกับ nR(Th − Tc)·ln(2) (โดยประมาณ สำหรับอัตราส่วนปริมาตรของวัฏจักรนี้) และเทียมประสิทธิภาพ η = W_net/Qin กับค่าคาร์โนต์ η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5
- สองขั้นมีงานเป็นบวก (การขยายตัว) และสองขั้นเป็นลบ (การอัดตัว) อธิบายว่าเหตุใดงาน*สุทธิ*ตลอดวัฏจักรจึงยังเป็นบวก ทำให้มันเป็นเครื่องจักรความร้อน ไม่ใช่วงจรที่ไม่ทำอะไรเลย
สิ่งนี้ปรากฏที่ใดนอกห้องแล็บ
- เครื่องจักรจริงที่ทำงานระหว่างแหล่งที่อุณหภูมิเดียวกันไม่มีเครื่องใดเอาชนะประสิทธิภาพคาร์โนต์ได้ จงใช้ η_c = 1 − Tc/Th อธิบายว่าทำไมเครื่องจักรจะไปถึงประสิทธิภาพ 100% ได้ก็ต่อเมื่อ Tc = 0 K เท่านั้น ซึ่งเป็นไปไม่ได้ทางกายภาพ
- วัฏจักรคาร์โนต์ประกอบขึ้นจากขั้นตอนย้อนกลับได้ทั้งหมด (อุณหภูมิคงที่และอะเดียแบติก ซึ่งอุดมคติให้ช้าไม่สิ้นสุด) อธิบายว่าเหตุใดเครื่องจักรจริง ซึ่งหลีกเลี่ยงแรงเสียดทานและการถ่ายเทความร้อนความเร็วจำกัดไม่ได้ จึงไม่มีวันไปถึงประสิทธิภาพอุดมคตินี้ได้พอดี
- 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
- ยินดีต้อนรับสู่วัฏจักรคาร์โนต์
- เลือกห้องแก๊ส
- กดเล่น
- ประสิทธิภาพสูงสุด
- เปิดแผงคุณสมบัติ
- ทำได้แล้ว!
เปิดการจำลองแบบโต้ตอบเพื่อสร้างฉาก กดเล่น แล้วสำรวจพร้อมการวัดสดและบทแนะนำ
เครื่องจักรความร้อนกับประสิทธิภาพคาร์โนต์