Термодинаміка
Цикл Стірлінга
Дві ізотерми + дві ізохори з регенерацією.
Цикл Стірлінга — інтерактивне моделювання: Термодинаміка. Дві ізотерми + дві ізохори з регенерацією. Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.
Цикл Стірлінга
Дві ізотерми + дві ізохори з регенерацією.
Цикл Стірлінга використовує регенератор, щоб запасати теплоту під час сталих об'ємних кроків і повертати її пізніше, наближаючись до карно-подібної продуктивності в ідеальному дизайні. Справжні двигуни Стірлінга міняють складність на тихшу роботу та гнучкі джерела теплоти.
- Дві ізотерми + регенерація
- η_Carnot в ідеальній межі
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 Стірлінга використовує 2 ізотермічні та 2 ізохоричні такти, без адіабатичних узагалі. Його ККД може принципово зрівнятися із карнівським, якщо досконалий «регенератор» рециклує теплоту між ізохоричними тактами. Без ідеального регенератора чи поступається простий виміряний ККД межі Карно?
Прогнози для зважування
- Так — без регенератора сирий ККД цього циклу нижчий за межу Карно для тих самих температур резервуарів.
- ККД точно дорівнює межі Карно незалежно від регенерації.
- ККД перевищує межу Карно.
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 Стірлінга та натисніть «Скинути». 1 моль аргону циклічно працює між 600 K і 300 K, використовуючи лише ізотермічні та ізохоричні такти.
- Увімкніть показ роботи за такт та показ ККД циклу.
- Для кожного такту циклу (1–4) зчитайте цільовий об'єм такту та роботу, виконану газом протягом цього такту.
Керівне рівняння
Межа Карно для ККД циклу — η_c = 1 − Tc / Th
Жоден цикл, що працює між температурами Tc і Th, — включно зі Стірлінгом — не може перевищити ККД Карно η_c = 1 − Tc/Th. Справжній (нерегенерований) цикл Стірлінга не досягає цієї межі, бо скидає невідновлену теплоту під час ізохоричного охолодження.
Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити
- Підтвердьте, що такти 2 і 4 (ізохоричні) показують W = 0. Підсумуйте роботу всіх 4 тактів для чистої роботи циклу та порівняйте показ ККД циклу з межею Карно η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- Сирий ККД цього циклу (без ідеального регенератора, що відновлює теплоту ізохоричних тактів) лишається нижче 0.5. Поясніть, використовуючи перший закон, чому теплота, скинута під час ізохоричного охолодження, — це енергія, яку проста машина не відновлює.
Де це трапляється за межами лабораторії
- Справжній двигун Стірлінга використовує регенератор — сітку, що запасає теплоту, виділену під час ізохоричного охолодження, і повертає її під час ізохоричного нагрівання. Поясніть, чому досконалий регенератор дозволив би цьому циклу наблизитися до ККД Карно навіть без адіабатичних тактів.
- Двигуни Стірлінга цінують за здатність працювати від будь-якого зовнішнього джерела теплоти (сонце, відпрацьоване тепло, навіть різниці температур в космосі), а не лише від внутрішнього згоряння. Чому машина замкненого циклу із зовнішнім нагріванням може бути привабливою для таких застосувань?
- 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 Стірлінга
- Виберіть камеру
- Натисніть «Запустити»
- Регенеративний цикл
- 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 →