奧托循環：汽油引擎的理想模型
1·預測
奧托循環（絕熱壓縮、等容加熱、絕熱膨脹、等容冷卻）用來建模汽油引擎。與卡諾循環不同，它有兩個階段是在恆定體積而非恆定溫度下進行的。在這些等容階段中，氣體是否做功？
- 由於這些腿部的壓力發生變化，工作仍在完成。
- 等容階段做負功。
- 由於W = PΔV且ΔV = 0，等容階段不做任何功。
2·設定
- 開啟 otto-cycle 預設並按下 Reset。 1 莫耳氮氣 (f = 5 ) 從 0.04 m³ 壓縮至 0.01 m³,，然後以恆定體積加熱至 900 K。
- 啟用 per-leg 工作和熱量讀數。
- 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
| 腿數 | 腿部目標體積V (m³) | 這條腿透過氣體做功 (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
繪製全部4個階段的P-V圖。標出哪些階段是等容（垂直）線段，並確認你在這些階段測得的功讀數為0。
4·分析
- 確認表中的腿 2 和 4（等容腿）顯示 W = 0，而腿 1 和 3（絕熱）顯示非零功。使用 γ = 1.4 計算壓縮比 r = V₁/V₂ = 4 和循環效率 η = 1 − 1/r^(γ−1)。
- 儘管有一半的循環做零功，但該循環的淨功為正。解釋兩條絕熱腿如何單獨產生淨正功輸出。
5·擴展
- 實際的汽油引擎壓縮比通常被限制在約10到12之間（更高的壓縮比會引發早燃/爆震）。請用η = 1 − 1/r^(γ−1)解釋，為什麼引擎設計者會在可能的情況下追求更高的壓縮比。
- 柴油引擎使用不同的循環（等壓加熱而不是等容加熱），但採用類似的 adiabatic-compression 概念。兩者都依靠絕熱腿將壓縮功轉換為更高的溫度。為什麼最大限度地減少壓縮過程中的熱損失對於這兩種設計都很重要？
這個實驗背後的物理原理
奧托循環效率
對於理想化的奧托循環，效率僅取決於壓縮比r = V₁/V₂與氣體的比熱比γ：η = 1 − 1/r^(γ−1)。壓縮比越高，效率越高。