موتور گرمایی کارنو

«موتور گرمایی کارنو» با جفت کردن یک مجموعهٔ متحرک سه‌بعدی پیستون، استوانه و چرخ طیار با نمودار همگام سه‌بعدی فشار-حجم (P-V)، ترمودینامیک کلاسیک را زنده می‌کند. دانش‌آموزان می‌توانند سر پیستون را بکشند تا در چرخه حرکت کنند یا روی هر یک از چهار حالت گوشه‌ای کلیک کنند: انبساط هم‌دما در تماس با منبع گرم T_H، انبساط بی‌دررو تا T_C، تراکم هم‌دما در تماس با منبع سرد T_C، و تراکم بی‌دررو برای بازگشت به T_H. مولکول‌های گاز با تغییر دما تند و کند می‌شوند و نمایشگرهای زنده بازده کارنو eta = 1 - T_C / T_H، دمای گاز، فشار و کار خالص در هر چرخه را گزارش می‌دهند.

• روی هر یک از چهار گره گوشه‌ای در حلقهٔ P-V کلیک کنید تا گام‌به‌گام مراحل انبساط هم‌دما، انبساط بی‌دررو، تراکم هم‌دما و تراکم بی‌دررو را طی کنید.
• دمای منبع گرم T_H را از 500 K به 900 K افزایش دهید در حالی که T_C روی 300 K ثابت است، و بزرگ‌تر شدن مساحت محصور در حلقهٔ P-V و بازده کارنو eta را تماشا کنید.
• دمای منبع سرد T_C را از 400 K به 200 K کاهش دهید و بررسی کنید که خنک کردن چاهک خروجی حتی مؤثرتر از افزایش T_H به همان مقدار، بازده را بالا می‌برد.
• سر پیستون را با دست به بالا و پایین بکشید و مشاهده کنید که چگونه پل گرمایی زیر استوانه بین T_H، حالت عایق و T_C جابه‌جا می‌شود.
• «نسبت انبساط هم‌دما» را افزایش دهید و توجه کنید که کار خالص در هر چرخه افزایش می‌یابد اما درصد بازده نظری کارنو بدون تغییر می‌ماند.

1. 1چهار فرایند برگشت‌پذیر تشکیل‌دهندهٔ چرخهٔ موتور گرمایی کارنو را روی نمودار P-V مشخص کنید.
2. 2بیشینهٔ بازده نظری هر موتور گرمایی را با استفاده از رابطهٔ eta = 1 - T_C / T_H محاسبه کنید.
3. 3تفاوت بین فرایندهای هم‌دما (دمای ثابت، انتقال گرما) و فرایندهای بی‌دررو (عایق‌بندی‌شده، تغییر دما از طریق کار) را تشخیص دهید.
4. 4توضیح دهید چرا مساحت محصور در داخل حلقهٔ P-V نشان‌دهندهٔ خروجی کار مکانیکی خالص در هر چرخه است.

پرسش‌هایی که معلم‌ها می‌پرسند