卡诺热机

“卡诺热机”将动态的 3D 活塞-气缸-飞轮机构与同步的 3D 压强-体积 (P-V) 图相结合，生动展现经典热力学原理。学生可以拖动活塞头手动浏览循环，或点击四个顶点状态：与高温热源 T_H 接触的“等温膨胀”、降温至 T_C 的“绝热膨胀”、与低温热源 T_C 接触的“等温压缩”，以及升温回到 T_H 的“绝热压缩”。气体分子随温度高低而加速或减速，同时实时读数面板显示卡诺效率 η = 1 - T_C / T_H、气体温度、压强以及每个循环的净功。

• 依次点击 P-V 循环回路上的四个顶点节点，逐步观察等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩四个过程。
• 保持 T_C 为 300 K，将“高温热源 T_H”从 500 K 升高到 900 K，观察 P-V 回路所围成的面积以及卡诺效率 η 如何增大。
• 将“低温热源 T_C”从 400 K 降低到 200 K，验证将低温热源降温相同的幅度比升高高温热源 T_H 能更显著地提高热机效率。
• 手动上下拖动活塞头，观察气缸下方的导热桥如何在 T_H、绝热状态和 T_C 之间切换。
• 增大“等温膨胀比”，注意“每循环净功”随之增加，而理论卡诺效率百分比保持不变。

1. 1在 P-V 图上识别组成卡诺热机循环的四个可逆热力学过程。
2. 2利用公式 η = 1 - T_C / T_H 计算热机的最大理论效率。
3. 3区分等温冲程（温度恒定，发生热传递）与绝热冲程（绝热隔离，通过做功改变内能和温度）。
4. 4解释为什么 P-V 闭合回路所包围的面积代表每个循环对外输出的净机械功。

教师常问的问题