UK 
EnglishТипова
Polski🔄 Двигун Стірлінга
Анімована P-V діаграма циклу Стірлінга зі схемою двигуна. Чотири стадії: ізотермічні та ізохорні процеси через регенератор.
Що це демонструє
Цикл Стірлінга має чотири стадії: (1) ізотермічне розширення за Th — тепло поглинається від гарячого джерела; (2) ізохорне охолодження через регенератор — тепло зберігається; (3) ізотермічне стиснення за Tc — тепло віддається холодному приймачу; (4) ізохорне нагрівання через регенератор — збережене тепло повертається. Регенератор — ключова інновація: він усуває втрати тепла між ізохорними стадіями, роблячи теоретичний ККД рівним ККД Карно.
Як користуватися
- Регулюйте Th і Tc, щоб змінювати температури резервуарів
- Регулюйте співвідношення об'ємів r, щоб масштабувати цикл
- Жовті пунктирні лінії — це ізохорні стадії; кольорові криві — ізотерми
- Порівняйте площу під кривою (чиста робота) з циклом Карно за тих самих температур
Чи знали ви?
Винайдений Робертом Стірлінгом у 1816 році, двигун Стірлінга сьогодні використовується в підводних човнах, кріоохолоджувачах, сонячних генераторах з дзеркальною тарілкою та радіоізотопних генераторах космічних зондів. Його тиха робота, висока теоретична ефективність і здатність працювати від будь-якого джерела тепла (зокрема відпрацьованого тепла чи сонячного світла) роблять його привабливим для застосувань у відновлюваній енергетиці.
Про симулятор двигуна Стірлінга
Цей симулятор анімує ідеалізований термодинамічний цикл Стірлінга для одного моля ідеального одноатомного газу і малює його в реальному часі на діаграмі тиск-об'єм. Цикл поєднує дві ізотермічні стадії (розширення за гарячої температури Th і стиснення за холодної температури Tc) з двома ізохорними стадіями. Тиск підпорядковується рівнянню стану ідеального газу P = nRT/V, а площа під P-V кривою дорівнює чистій роботі, виконаній за цикл.
Три повзунки задають гарячий резервуар (350–900 K), холодний резервуар (100–450 K) та співвідношення об'ємів r = Vmax/Vmin (1.3–6.0). Панелі показують поглинуте тепло Qh = nRTh ln r, віддане тепло Qc = nRTc ln r, регенероване тепло nCv(Th−Tc), чисту роботу та ККД η = 1 − Tc/Th. Двигуни Стірлінга використовуються в підводних човнах, кріоохолоджувачах і сонячних генераторах з дзеркальною тарілкою.
Поширені запитання
Що показує цей симулятор?
Він малює чотиристадійний цикл Стірлінга ідеального газу на живій діаграмі тиск-об'єм, поки анімована точка рухається по контуру. Невелика схема показує циліндр витіснювача, регенератор і робочий поршень, а бічні панелі відображають енергетичний баланс, ККД і стан газу в поточній точці.
Які чотири стадії має цикл Стірлінга?
По порядку: ізотермічне розширення за Th (тепло поглинається від гарячого джерела), ізохорне охолодження від Th до Tc за сталого максимального об'єму (тепло зберігається в регенераторі), ізотермічне стиснення за Tc (тепло віддається холодному приймачу), та ізохорне нагрівання від Tc назад до Th (збережене тепло повертається). Симулятор підписує кожну стадію під час анімації.
Що контролюють три повзунки?
Перший задає температуру гарячого резервуара Th (350–900 K), другий задає температуру холодного резервуара Tc (100–450 K), а третій задає співвідношення об'ємів r = Vmax/Vmin (від 1.3 до 6.0). Підвищення Th або зниження Tc розширює температурний розрив і підвищує ККД, тоді як більше r розтягує діаграму і збільшує роботу за цикл.
Чому ККД двигуна Стірлінга дорівнює межі Карно?
Симулятор використовує η = 1 − Tc/Th — значення Карно. Це справедливо лише з ідеальним регенератором: тепло, що виділяється під час ізохорного охолодження, nCv(Th−Tc), зберігається і повертається під час ізохорного нагрівання, тож жодне зовнішнє тепло не витрачається на ізохорних ділянках. Тоді єдиний зовнішній теплообмін відбувається на двох ізотермічних стадіях, точно як у циклі Карно.
Що таке регенератор і чому він важливий?
Регенератор — це тепловий накопичувач — зазвичай дрібна сітка або матриця — розташована між гарячим і холодним просторами. Коли газ тече від гарячого до холодного, він залишає тепло в сітці; при зворотному потоці він забирає це тепло назад. Цей внутрішній рециклінг, показаний як жовтий блок «Reg» на схемі, — ключова інновація Роберта Стірлінга 1816 року, яка дозволяє двигуну досягати ефективності Карно в ідеальному випадку.
Як обчислюються значення тепла й роботи?
Для ідеального газу ізотермічні стадії дають Qh = nRTh ln r та Qc = nRTc ln r, де R = 8.314 Дж/(моль·К) і n = 1. Регенероване тепло дорівнює nCv(Th−Tc), де Cv = R/(γ−1) для одноатомного газу (γ = 5/3). Чиста робота W = Qh − Qc, що дорівнює площі, обмеженій контуром.
Чи є це точною моделлю реального двигуна?
Це ідеалізований підручниковий цикл, тож він термодинамічно узгоджений, але оптимістичний. Реальні двигуни страждають від недосконалої регенерації, витоку газу, тертя, мертвого об'єму та скінченних швидкостей теплообміну, тож практичний ККД значно нижчий за показане тут значення Карно. Модель призначена для навчання структурі циклу й енергетичному балансу, а не для передбачення продуктивності конкретної машини.
Чому дві ділянки на P-V діаграмі — вертикальні лінії?
Ізохорні (сталого об'єму) стадії відбуваються при фіксованому об'ємі газу Vmax або Vmin, тож об'єм не змінюється, тоді як температура й тиск змінюються. На P-V діаграмі сталий об'єм — це вертикальна лінія. Оскільки об'єм не змінюється, ці стадії не виконують роботи — вони лише переносять тепло до й від регенератора.
Що представляє площа, обмежена контуром на діаграмі?
Зафарбована зеленим ділянка, обмежена чотирма стадіями, — це чиста робота за цикл, оскільки робота дорівнює інтегралу P dV по контуру. Ширший температурний розрив або більше співвідношення об'ємів збільшує цю площу. Порівняння з контуром Карно між тими самими температурами показує, як цикл Стірлінга відповідає роботі Карно, коли регенератор ідеальний.
Де насправді використовуються двигуни Стірлінга?
Оскільки вони тихо працюють від будь-якого зовнішнього джерела тепла, двигуни Стірлінга живлять повітронезалежні рушійні установки деяких підводних човнів, приводять у дію кріоохолоджувачі для охолодження інфрачервоних сенсорів і перетворюють сонячне світло на електрику в сонячних генераторах з дзеркальною тарілкою. Їхній зворотний цикл використовується в кріогеніці, а варіанти з вільним поршнем досліджувалися для радіоізотопного живлення космічних зондів.