奥托循环：汽油发动机的理想模型
1·预测
奥托循环（绝热压缩、等容加热、绝热膨胀、等容冷却）用来建模汽油发动机。与卡诺循环不同，它有两个阶段是在恒定体积而非恒定温度下进行的。在这些等容阶段中，气体是否做功？
- 由于这些阶段中压强在变化，气体仍然在做功。
- 等容阶段做负功。
- 由于W = PΔV且ΔV = 0，等容阶段不做任何功。
2·设置
- 打开「奥托循环（otto-cycle）」预设并按重置。1摩尔氮气（f = 5）从40 L压缩到10 L，然后在恒定体积下加热到900 K。
- 启用每阶段的功与热读数。
- 对于循环的每个过程（1 到 4），读出该过程的目标体积以及该过程期间气体所做的功。
3·收集数据
| 过程编号 | 该过程目标体积 V (L) | 该过程气体做的功 (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
绘制全部4个阶段的P-V图。标出哪些阶段是等容（垂直）线段，并确认你在这些阶段测得的功读数为0。
4·分析
- 确认表中的腿 2 和 4（等容腿）显示 W = 0，而腿 1 和 3（绝热）显示非零功。使用 γ = 1.4 计算压缩比 r = V₁/V₂ = 4 和循环效率 η = 1 − 1/r^(γ−1)。
- 尽管有一半的循环做零功，但该循环的净功为正。解释两条绝热腿如何单独产生净正功输出。
5·扩展
- 实际的汽油发动机压缩比通常被限制在约10到12之间（更高的压缩比会引发早燃/爆震）。请用η = 1 − 1/r^(γ−1)解释，为什么发动机设计者会在可能的情况下追求更高的压缩比。
- 柴油发动机使用不同的循环（等压加热而不是等容加热），但采用类似的 adiabatic-compression 理念。两者都依靠绝热腿将压缩功转化为更高的温度。为什么最大限度地减少压缩过程中的热损失对于这两种设计都很重要？
这个实验背后的物理原理
奥托循环效率
发动机的实测效率是 η = W/Q_in——每吸收单位热量输出的净功；所引用的公式显示的正是它，你的数据表计算的也是它。对于理想化的奥托循环，效率只取决于压缩比 r = V₁/V₂ 和热容比 γ：η = 1 − 1/r^(γ−1)——压缩比越高，效率越高。