卡諾循環：最大可能的引擎效率

1·預測

卡諾引擎透過 4 個支路（等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮）將氣體帶回其起始狀態。氣體的內能在一個完整的循環中是否會改變？

• 由於氣體做淨正功，內部能量在整個循環中增加。
• 內部能量回到其起始值－閉合循環內的淨變化為零。
• 內能在循環過程中逐漸減少。

2·設定

1. 打開「卡諾循環（carnot-cycle）」預設並按重設。1莫耳氬氣（f = 3）在600 K高溫熱源與300 K低溫熱源之間循環。
2. 啟用 per-leg 工作讀數。
3. 對於循環的每條腿（1 到 4），讀出該腿的目標體積以及該腿期間氣體所做的功。

3·收集數據

繪製所有 4 個腿的 P-V 圖，標記每個腿是等溫還是絕熱，氣體是做正功還是負功。

4·分析

1. 將您 4 條腿的工作值相加。將總數與 nR(Th − Tc)·ln(2) 進行比較（對於該循環的體積比，近似值），並將循環效率 η = W_net/Qin 與卡諾值 η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5 進行比較。
2. 兩個階段做正功（膨脹），兩個階段做負功（壓縮）。請解釋為什麼整個循環的*淨*功仍為正值，從而使其成為一台熱機，而非一個什麼都不做的循環。

5·擴展

1. 在相同的兩個儲層溫度之間運行的真正引擎無法超越卡諾效率。使用 η_c = 1 − Tc/Th 解釋為什麼引擎只有在 Tc = 0 K（物理上無法達到）時才能達到 100% 的效率。
2. 卡諾循環完全由可逆步驟構成（等溫與絕熱過程均被理想化為無限緩慢）。請解釋為什麼必然存在摩擦與有限速率熱傳遞的真實發動機，永遠無法完全達到這一理想效率。

這個實驗背後的物理原理

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