Термодинаміка
Цикл Отто
Цикл бензинового двигуна: дві адіабати + дві ізохори.
Цикл Отто — інтерактивне моделювання: Термодинаміка. Цикл бензинового двигуна: дві адіабати + дві ізохори. Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.
Цикл Отто
Цикл бензинового двигуна: дві адіабати + дві ізохори.
Цикл Отто моделює двигун з іскровим запалюванням: швидке згоряння при майже сталому об'ємі підіймає тиск, за ним іде адіабатичне розширення, що виконує роботу, потім випуск при сталому об'ємі. Він менш ефективний за Карно за тих самих температурних крайніх точок, бо теплота додається при мінливій температурі.
- η ≈ 1 − (V₂/V₁)^(γ−1)
- Бензиновий двигун
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
Цикл Отто (адіабатичне стиснення, ізохоричне нагрівання, адіабатичне розширення, ізохоричне охолодження) моделює бензиновий двигун. На відміну від циклу Карно, два його такти — при сталому об'ємі, а не температурі. Чи виконує газ роботу в ті сталоб'ємні такти?
Прогнози для зважування
- Робота все одно виконується, бо тиск змінюється протягом цих тактів.
- Такти зі сталим об'ємом виконують від'ємну роботу.
- Роботи немає в тактах зі сталим об'ємом, бо W = PΔV, а ΔV = 0.
Ролі змінних
Що ви задаєте:
- Номер такту
Що ви вимірюєте:
- Цільовий об'єм такту V (m³)
- Робота газу за цей такт (J)
Як проходить дослідження
- Відкрийте пресет циклу Отто та натисніть «Скинути». 1 моль азоту (f = 5) стискається з 0.04 м³ до 0.01 м³, потім нагрівається при сталому об'ємі до 900 K.
- Увімкніть покази роботи та теплоти за такт.
- Для кожного такту циклу (1–4) зчитайте цільовий об'єм такту та роботу, виконану газом протягом цього такту.
Керівне рівняння
ККД циклу Отто — η = W / Qin
Для ідеалізованого циклу Отто ККД залежить лише від ступеня стиснення r = V₁/V₂ та показника адиабати газу γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Вищий ступінь стиснення дає вищий ККД.
Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити
- Підтвердьте, що такти 2 і 4 (ізохоричні) показують W = 0 у вашій таблиці, тоді як такти 1 і 3 (адіабатичні) — ненульову роботу. Обчисліть ступінь стиснення r = V₁/V₂ = 4 та ККД циклу η = 1 − 1/r^(γ−1) з γ = 1.4.
- Чиста робота цього циклу додатна, хоча половина тактів дає нульову роботу. Поясніть, як самі два адіабатичні такти можуть дати чистий додатний вихід роботи.
Де це трапляється за межами лабораторії
- Справжні бензинові двигуни обмежені ступенем стиснення близько 10–12 (вищі спричиняють передзапалювання/стук). Використовуючи η = 1 − 1/r^(γ−1), поясніть, чому розробники двигунів прагнуть вищих ступенів стиснення, коли можливо.
- Дизельний двигун використовує інший цикл (ізобаричне нагрівання замість ізохоричного), але подібну ідею адіабатичного стиснення. Обидва покладаються на адіабатичні такти, щоб перетворити роботу стиснення на вищі температури. Чому мінімізація втрат теплоти під час стиснення важлива для обох конструкцій?
- 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
- Вітаємо в циклі Отто
- Виберіть камеру
- Натисніть «Запустити»
- Цикл бензинового двигуна
- Відкрийте панель властивостей
- 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 →