卡诺循环：最大可能的发动机效率

1·预测

卡诺发动机通过 4 个支路（等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩）将气体带回其起始状态。气体的内能在一个完整的循环中是否发生变化？

• 由于气体做净正功，内部能量在整个循环中增加。
• 内部能量返回到其起始值——闭合循环内的净变化为零。
• 内能在循环过程中逐渐减少。

2·设置

1. 打开「卡诺循环（carnot-cycle）」预设并按重置。1摩尔氩气（f = 3）在600 K高温热源与300 K低温热源之间循环。
2. 启用 per-leg 工作读数。
3. 对于循环的每条腿（1 到 4），读出该腿的目标体积以及该腿期间气体所做的功。

3·收集数据

绘制所有 4 个腿的 P-V 图，标记每个腿是等温还是绝热，以及气体是做正功还是负功。

4·分析

1. 将您 4 条腿的工作值相加。将总数与 nR(Th − Tc)·ln(2) 进行比较（对于该循环的体积比，近似值），并将循环效率 η = W_net/Qin 与卡诺值 η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300/600 = 0.5 进行比较。
2. 两个阶段做正功（膨胀），两个阶段做负功（压缩）。请解释为什么整个循环的*净*功仍为正值，从而使其成为一台热机，而非一个什么都不做的循环。

5·扩展

1. 在相同的两个储层温度之间运行的真正发动机无法超越卡诺效率。使用 η_c = 1 − Tc/Th 解释为什么发动机只有在 Tc = 0 K（物理上无法达到）时才能达到 100% 的效率。
2. 卡诺循环完全由可逆步骤构成（等温与绝热过程均被理想化为无限缓慢）。请解释为什么必然存在摩擦与有限速率热传递的真实发动机，永远无法完全达到这一理想效率。

这个实验背后的物理原理

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