Термодинаміка

Холодильник (зворотний Карно)

Працюйте у зворотний бік: підведена робота качає теплоту від холодного до гарячого (COP = Tc/(Th−Tc)).

Холодильник (зворотний Карно) — інтерактивне моделювання: Термодинаміка. Працюйте у зворотний бік: підведена робота качає теплоту від холодного до гарячого (COP = Tc/(Th−Tc)). Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.

Холодильний COP

Працюйте навпаки: підведена робота качає теплоту від холодного до гарячого (COP = Tc/(Th−Tc)).

Холодильник — це теплова машина, що працює назад: електрична робота жене теплоту з холодного нутра в теплу кімнату. Холодильний коефіцієнт COP = Q_c/W може перевищувати 1, бо перекачана теплота більша за підведену роботу — на відміну від ККД, що завжди ≤ 1.

• COP = T_c/(T_h−T_c)
• Підведена робота

Короткий опис дослідження

Сплануйте запитання, перш ніж відкрити лабораторію

Короткий відповідає передрендереній сторінці: рушійне запитання, конкуруючі прогнози, ролі змінних, керівні закони, установка, аналіз і підсилення лишаються видимими та в цьому порядку.

Рушійне запитання

Запуск циклу Карно назад перетворює машину на холодильник — чиста робота йде ВХІД, а не виходить. Чи все ще газ поглинає теплоту з холодного резервуара, як справжній холодильник, що витягує тепло з нутра?

Прогнози для зважування

• Ні — реверсування циклу також реверсує те, який резервуар поглинає теплоту.
• Зворотний цикл не обмінюється теплотою з жодним резервуаром.
• Так — зворотний цикл поглинає теплоту з холодного боку та скидає більше теплоти в гарячий, використовуючи для цього вхідну роботу.

Ролі змінних

Що ви задаєте:

• Номер такту

Що ви вимірюєте:

• Цільовий об'єм такту V (L)
• Робота газу за цей такт (J)

Як проходить дослідження

1. Відкрийте пресет холодильника Карно та натисніть «Скинути». Ті самі 4 такти, що й у циклі Карно, виконуються у зворотному порядку.
2. Увімкніть показ роботи за такт та покази COP охолодження/нагрівання.
3. Для кожного такту циклу (1–4) зчитайте цільовий об'єм такту та роботу, виконану газом протягом цього такту.

Керівне рівняння

Холодильний коефіцієнт корисної дії — COP = Tc / (Th − Tc)

Холодильна продуктивність зворотного циклу Карно вимірюється як COP_cool = Tc/(Th − Tc): скільки теплоти виноситься з холодного простору на одиницю підведеної роботи. Менші різниці температур дають кращий (вищий) COP.

Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити

• Підсумуйте значення роботи 4 тактів — сума (чиста робота, виконана ГАЗОМ) має вийти від'ємною, тобто чисту роботу треба підводити ДО газу. Обчисліть COP охолодження = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 та COP нагрівання = Th/(Th − Tc) = 2.0.
• Порівняйте порядок тактів тут із порядком у циклі Карно. Поясніть, як просте реверсування послідовності тих самих 4 тактів перевертає цикл із машини (чиста робота назовні) на холодильник (чиста робота всередину).

Де це трапляється за межами лабораторії

• COP охолодження 1.0 означає, що холодильник виносить 1 J теплоти з холодного простору на кожен 1 J підведеної роботи. COP нагрівання 2.0 (режим теплового насоса) означає, що він віддає 2 J теплоти теплому простору на 1 J роботи. Поясніть, чому COP_heat завжди рівно на 1 більший за COP_cool для тих самих резервуарів.
• На відміну від ККД машини (завжди ≤ 1), COP може перевищувати 1 — і це не порушення збереження енергії. Поясніть, чому COP > 1 можливо: додаткова енергія надходить з резервуара, що охолоджується, а не створюється з нічого.

• 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. Вітаємо в холодильнику Карно
2. Виберіть камеру
3. Натисніть «Запустити»
4. Холодильний COP
5. Відкрийте панель властивостей
6. У вас вийшло!

Відкрийте інтерактивне моделювання, щоб зібрати сцену, натиснути «Запустити» та дослідити з живими вимірюваннями й керованим заняттям.

Відкрити інтерактивну лабораторію →

Завантажити лабораторний аркуш →

Теплові машини та межа Карно