Цикл Отто: ідеалізована модель бензинового двигуна

1 · Прогноз

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?

2 · Установка

  1. Відкрийте пресет циклу Отто та натисніть «Скинути». 1 моль азоту (f = 5) стискається з 40 л до 10 л, потім нагрівається при сталому об'ємі до 900 K.
  2. Увімкніть покази роботи та теплоти за такт.
  3. Для кожного такту циклу (1–4) зчитайте цільовий об'єм такту та роботу, виконану газом протягом цього такту.

3 · Збір даних

Номер тактуЦільовий об'єм такту V (L)Робота газу за цей такт (J)
1
2
3
4

Накидайте P-V-діаграму всіх 4 тактів. Позначте, які такти — вертикальні ділянки сталого об'єму, і підтвердьте, що ваші покази роботи там 0.

4 · Аналіз

  1. 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.
  2. Чиста робота цього циклу додатна, хоча половина тактів дає нульову роботу. Поясніть, як самі два адіабатичні такти можуть дати чистий додатний вихід роботи.

5 · Поглиблення

  1. 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.
  2. 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?

Фізика цього експерименту

ККД циклу Отто

Виміряний ККД двигуна — η = W/Q_in: чиста робота на одиницю поглинутої теплоти; саме це показує цитована формула і саме це обчислює ваша таблиця даних. Для ідеалізованого циклу Отто ККД залежить лише від ступеня стиснення r = V₁/V₂ і відношення теплоємностей γ: η = 1 − 1/r^(γ−1) — вище стиснення, вищий ККД.

← Назад до експерименту

Термодинаміка

138 безкоштовних друкованих робочих аркушів з фізики