محرك كارنو الحراري

عن هذه المحاكاة

يُجسّد محرك كارنو الحراري الديناميكا الحرارية الكلاسيكية من خلال الجمع بين مجموعة مكبس وأسطوانة وحدافة متحركة ثلاثية الأبعاد ومخطط ضغط-حجم (P-V) متزامن ثلاثي الأبعاد. يمكن للطلاب سحب رأس المكبس للتنقل عبر الدورة أو النقر على أي من حالات الأركان الأربع: التمدد المتساوي الحرارة عند التلامس مع المستودع الساخن T_H، والتمدد الكظمي إلى T_C، والانضغاط المتساوي الحرارة عند التلامس مع المستودع البارد T_C، والانضغاط الكظمي للعودة إلى T_H. تتسارع جزيئات الغاز وتتباطأ مع تغير درجة الحرارة بينما تعرض القراءات الحية كفاءة كارنو eta = 1 - T_C / T_H ودرجة حرارة الغاز والضغط والشغل الصافي لكل دورة.

ما الذي يمكن للطلاب استكشافه

انقر على كل عقدة من عقد الأركان الأربع على حلقة P-V للتنقل خطوة بخطوة عبر التمدد المتساوي الحرارة، والتمدد الكظمي، والانضغاط المتساوي الحرارة، والانضغاط الكظمي.
ارفع درجة حرارة المستودع الساخن T_H من 500 K إلى 900 K مع إبقاء T_C عند 300 K، وشاهد مساحة حلقة P-V المحصورة وكفاءة كارنو eta تزدادان.
اخفض درجة حرارة المستودع البارد T_C من 400 K إلى 200 K وتحقق من أن تبريد مصب العادم يزيد الكفاءة بفعالية أكبر من رفع T_H بنفس المقدار.
اسحب رأس المكبس لأعلى ولأسفل يدويًا ولاحظ كيف يتبدل الجسر الحراري أسفل الأسطوانة بين T_H والعزل وT_C.
زِد نسبة التمدد المتساوي الحرارة ولاحظ أن الشغل الصافي لكل دورة يزداد بينما تظل النسبة المئوية النظرية لكفاءة كارنو دون تغيير.

أهداف التعلّم

1حدّد العمليات العكوسة الأربع التي تتكون منها دورة محرك كارنو الحراري على مخطط P-V.
2احسب الكفاءة النظرية القصوى لأي محرك حراري باستخدام العلاقة eta = 1 - T_C / T_H.
3ميّز بين الأشواط المتساوية الحرارة (درجة حرارة ثابتة مع انتقال حرارة) والأشواط الكظمية (معزولة وتتغير فيها درجة الحرارة عن طريق الشغل).
4اشرح لماذا تمثل المساحة المحصورة داخل حلقة P-V الشغل الميكانيكي الصافي الناتج لكل دورة.

أسئلة يطرحها المعلمون

ما هي الأشواط الأربعة لمحرك كارنو الحراري؟

الأشواط الأربعة هي: (من 1 إلى 2) تمدد متساوي الحرارة يمتص حرارة Q_H عند درجة الحرارة الساخنة T_H، و(من 2 إلى 3) تمدد كظمي يبرّد الغاز من T_H إلى T_C، و(من 3 إلى 4) انضغاط متساوي الحرارة يطرد حرارة Q_C عند درجة الحرارة الباردة T_C، و(من 4 إلى 1) انضغاط كظمي يسخّن الغاز مجددًا إلى T_H.

لماذا لا يمكن لأي محرك حراري أن يصل إلى كفاءة 100% أبدًا؟

بموجب صيغة كارنو eta = 1 - T_C / T_H، فإن الوصول إلى كفاءة 100% يتطلب إما مصدرًا ذا سخونة لا نهائية (T_H = ما لا نهاية) أو مستودعًا باردًا عند الصفر المطلق (T_C = 0 K)، وهو أمر تمنعه قوانين الديناميكا الحرارية.

لماذا تنخفض درجة حرارة الغاز أثناء التمدد الكظمي على الرغم من عدم خروج أي حرارة من الأسطوانة؟

أثناء التمدد الكظمي تكون جدران الأسطوانة معزولة حراريًا (Q = 0)، لذلك يبذل الغاز المتمدد شغلًا ميكانيكيًا موجبًا يدفع المكبس لأعلى على حساب طاقته الحركية الداخلية، مما يخفض درجة حرارته.

هل يؤدي تغيير نسبة التمدد إلى تغيير كفاءة كارنو؟

لا. إن زيادة نسبة التمدد المتساوي الحرارة تجعل حلقة P-V أوسع فيمتص المحرك حرارة Q_H أكبر ويبذل شغلًا صافيًا أكبر لكل دورة، لكن النسبة W_net / Q_H تظل ثابتة عند 1 - T_C / T_H.

أدرِج هذه المحاكاة في موقعك

ضعها في منصتك التعليمية أو مدونتك أو موقع صفك — مجانًا.

<iframe src="https://kiwibee.io/ar/simulations/carnot-heat-engine-3d-simulation/embed" title="محرك كارنو الحراري | KiwiBee" loading="lazy" allowfullscreen style="width:100%;height:min(70vh,620px);min-height:420px;border:0;border-radius:16px"></iframe>

واصل الاستكشاف

معاينة Carnot engine, refrigerator and heat pump

Compare thermodynamic cycles and ideal efficiency.

—

Explore an adult male reference body in 3D. Reveal 14 anatomical systems, search thousands of named structures, isolate organs, and pull 2,209 modeled pieces apart to see how the body is organized.

—

Explore the head and neck in 3D: 643 source meshes across 14 layers, 47 facial and masticatory muscles, and 77 drawn nerves, vessels and glands the source scan omits. Open any tooth onto its own pulp canal, and follow the seven stages of tooth development.

—