カルノーサイクル：可能な最大の熱機関効率

1 · 予測

カルノー機関は、気体を4つの過程（等温膨張、断熱膨張、等温圧縮、断熱圧縮）で開始状態へ戻す。一つの完全なサイクルの間に、気体の内部エネルギーは変化するか？

• 気体は正味で正の仕事をするため、内部エネルギーはサイクル中に増加する。
• 内部エネルギーは開始時の値に戻る — 閉じたサイクルでは正味の変化はゼロである。
• 内部エネルギーはサイクル中に減少する。

2 · 準備

1. 「カルノーサイクル（carnot-cycle）」プリセットを開き、リセットを押しなさい。アルゴン1 mol（f = 3）が600 Kの高温熱源と300 Kの低温熱源の間でサイクルする。
2. 各過程の仕事の表示を有効にする。
3. サイクルの各過程（1から4）について、その過程の目標体積と、その過程で気体がした仕事を読み取る。

3 · データ収集

4つすべての過程について P-V 図を描き、各過程が等温か断熱か、また気体が正の仕事と負の仕事のどちらをするかを記す。

4 · 分析

1. 4つの過程の仕事の値を合計する。合計を nR(Th − Tc)·ln(2)（このサイクルの体積比では近似的に）と比較し、サイクルの効率 η = W_net/Qin をカルノーの値 η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5 と比較する。
2. 二つの過程では正の仕事（膨張）、二つでは負の仕事（圧縮）となる。完全なサイクルでの*正味の*仕事がなお正であり、何もしないループではなく熱機関になる理由を説明する。

5 · 発展

1. 同じ二つの熱源温度の間で動作する実在の機関は、カルノー効率を超えられない。η_c = 1 − Tc/Th を用いて、Tc = 0 K のときにのみ機関が 100% の効率に達し得る理由を説明する。これは物理的には到達不能である。
2. カルノーサイクルは、すべて可逆過程（等温と断熱で、どちらも無限に遅いと理想化される）で構成される。摩擦や有限速度での熱伝達が避けられない実在の機関が、この理想効率に完全には到達できない理由を説明する。

この実験の物理

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