卡諾循環(huán)的原理

1、卡諾循環(huán)科技名詞定義中文名稱：卡諾循環(huán)英文名稱：Carnot cycle定義：由兩個可逆的等溫過程和兩個可逆的絕熱過程所組成的理想循環(huán)。百科名片 卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)(Carnot cycle) 是由法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾于1824年提出的，以分析熱機的工作過程，卡諾循環(huán)包括四個步驟： 等溫膨脹， 絕熱膨脹，等溫壓縮，絕熱壓縮。即理想氣體從狀態(tài)1（1，1，1）等溫膨脹到狀態(tài)2（2，2，2），再從狀態(tài)2絕熱膨脹到狀態(tài)3（3，3，3），此后，從狀態(tài)3等溫壓縮到狀態(tài)4（4，4，4），最后從狀態(tài)4絕熱壓縮回到狀態(tài)1。這種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構(gòu)成的循

2、環(huán)成為卡諾循環(huán)。簡介卡諾循環(huán)包括四個步驟：等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮等溫膨脹，在這個過程中系統(tǒng)從環(huán)境中吸收熱量； 絕熱膨脹，在這個過程中系統(tǒng)對環(huán)境作功； 等溫壓縮，在這個過程中系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量； 絕熱壓縮，系統(tǒng)恢復(fù)原來狀態(tài)，在這個過程中系統(tǒng)對環(huán)境作負功。卡諾循環(huán)可以想象為是工作與兩個恒溫?zé)嵩粗g的準靜態(tài)過程，其高溫?zé)嵩吹臏囟葹?，低溫?zé)嵩吹臏囟葹?。這一概念是1824年N.L.S.卡諾在對熱機的最大可能效 率問題作理論研究時提出的?？ㄖZ假設(shè)工作物質(zhì)只與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量，沒有散熱、漏氣、摩擦等損耗。為使過程是準靜態(tài)過程，工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰釕?yīng)是無溫度差的等溫膨脹過程，同樣，

3、向低溫?zé)嵩捶艧釕?yīng)是等溫壓縮過程。因限制只與兩熱源交換熱量，脫離熱源后只能是絕熱過程。作卡諾循環(huán)的熱機叫做卡諾熱機1。 原理卡諾循環(huán)的效率通過熱力學(xué)相關(guān)定理我們可以得出，卡諾循環(huán)的效率c1-2/1，由此可以看出， 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源的熱力學(xué)溫度有關(guān)，如果高溫?zé)嵩吹臏囟?愈高，低溫?zé)嵩吹臏囟?愈低，則卡諾循環(huán)的效率愈高。因為不能獲得1的高溫?zé)嵩椿?=0K（-273）的低溫?zé)嵩?，所以，卡諾循環(huán)的效率必定小于1。 任何工作物質(zhì)作卡諾循環(huán)，其效率都一致可以證明，以任何工作物質(zhì)作卡諾循環(huán)，其效率都一致；還可以證明，所有實際循環(huán)的效率都低于同樣條件下卡諾循環(huán)的效率，也就是說，如果高溫?zé)嵩春偷?/p>

4、溫?zé)嵩吹臏囟却_定之后，卡諾循環(huán)的效率是在它們之間工作的一切熱機的最高效率界限。因此，提高熱機的效率，應(yīng)努力提高高溫?zé)嵩吹臏囟群徒档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟?，低溫?zé)嵩赐ǔＪ侵車h(huán)境，降低環(huán)境的溫度難度大、成本高，是不足取的辦法?，F(xiàn)代熱電廠盡量提高水蒸氣的溫度，使用過熱蒸汽推動汽輪機，正是基于這個道理。 提高熱機效率的方向卡諾定理闡明了熱機效率的限制，指出了提高熱機效率的方向（提高T1，降低T3，減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)）。成為熱機研究的理論依據(jù)、熱機效率的限制。實際熱力學(xué)過程的不可逆性及其間聯(lián)系的研究，導(dǎo)致熱力學(xué)第二定律的建立。在卡諾定理基礎(chǔ)上建立的與測溫物質(zhì)及測溫屬性無關(guān)

5、的絕對熱力學(xué)溫標，使溫度測量建立在客觀的基礎(chǔ)之上。此外，應(yīng)用卡諾循環(huán)和卡諾定理，還可以研究表面張力、飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系及可逆電池的電動勢等。還應(yīng)強調(diào)，卡諾這種撇開具體裝置和具體工作物質(zhì)的抽象而普遍的理論研究，已經(jīng)貫穿在整個熱力學(xué)的研究之中。 卡諾循環(huán) 正文由兩個定溫過程和兩個絕熱過程（見熱力過程）所組成的可逆的熱力循環(huán)。卡諾循環(huán)是19世紀法國工程師S.卡諾提出的，因而得名。卡諾循環(huán)分正、逆兩種。在壓-容(p-V)圖和溫-熵(T-S)圖中（見圖）, -b-c-d-為正卡諾循環(huán)，-b為可逆定溫吸熱過程，工質(zhì)在溫度T1下從相同溫度的高溫?zé)嵩次霟崃縌1；b-c為可逆絕熱過程,工質(zhì)溫度自T1降為T

6、2；c-d為可逆定溫放熱過程，工質(zhì)在溫度T2下向相同溫度的低溫?zé)嵩磁欧艧崃縌2；d-為可逆絕熱過程,工質(zhì)溫度自T2升高到T1，完成一個可逆循環(huán),對外作出凈功W。逆卡諾循環(huán)與上述正向循環(huán)反向,沿-d-c-b-方向,因而Q2是工質(zhì)從低溫?zé)嵩次氲臒崃?通稱制冷量),Q1是工質(zhì)排放給高溫?zé)嵩吹臒崃?W是完成逆向循環(huán)所需的外界輸入的凈功。 正卡諾循環(huán)的熱經(jīng)濟指標用卡諾循環(huán)熱效率t表示 正卡諾循環(huán) 逆卡諾循環(huán)的熱經(jīng)濟指標用卡諾制冷系數(shù)表示或用卡諾供暖系數(shù)表示 逆卡諾循環(huán) 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在相同的高、低溫?zé)嵩礈囟萒1與T2之間工作的一切循環(huán)中,以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理。卡諾循環(huán)具有極為重

7、要的理論和實際意義。雖然，完全按照卡諾循環(huán)工作的裝置是難以實現(xiàn)的，但是卡諾循環(huán)卻為提高各種循環(huán)熱效率指明了方向和給出了極限值。 創(chuàng)建背景19世紀初，蒸汽機在工業(yè)、交通運輸中的作用越來越重要，但關(guān)于控制蒸汽機把熱轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動的各種因素的理論卻未形成。法國軍事工程師薩迪卡諾（S Carnot，17961832）于1824年出版了關(guān)于火的動力的思考一書，總結(jié)了他早期的研究成果?？ㄖZ以找出熱機不完善性的原因作為研究的出發(fā)點，闡明從熱機中獲得動力的條件就能夠改進熱機的效率。卡諾分析了蒸汽機的基本結(jié)構(gòu)和工作過程，撇開一切次要因素，由理想循環(huán) 卡諾循環(huán)入手， 以普遍理論的形式，作出關(guān)于消耗熱而得到機械功的

8、結(jié)論。他指出，熱機必須在高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作，“凡是有溫度差的地方就能夠產(chǎn)生動力；反之，凡能夠消耗這個力的地方就能夠形成溫度差，就可能破壞熱質(zhì)的平衡?！彼麡?gòu)造了在加熱器與冷凝器之間的一個理想循環(huán)：汽缸與加熱器相連，汽缸內(nèi)的工作物質(zhì)水和飽和蒸汽就與加熱器的溫度相同，汽缸內(nèi)的蒸汽如此緩慢地膨脹著，以致在整個過程中，蒸汽和水都處于熱平衡。然后使汽缸與加熱器隔絕，蒸汽絕熱膨脹到溫度降至與冷凝器的溫度相同為止。然后活塞緩慢壓縮蒸汽，經(jīng)過一段時間后汽缸與冷凝器脫離，作絕熱壓縮直到回復(fù)原來的狀態(tài)。這是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的循環(huán)，即后來所稱的“卡諾循環(huán)”。 卡諾根據(jù)熱質(zhì)守恒思想和永動機不可能

9、制成的原理，進一步證明了在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切實際熱機，其效率都不會大于在同樣的熱源之間工作的可逆卡諾熱機的效率?？ㄖZ由此推斷：理想的可逆卡諾熱機的效率有一個極大值，這個極大值僅由加熱器和冷凝器的溫度決定，一切實際熱機的效率都低于這個極值。 卡諾意義卡諾的研究具有多方面的意義。他的工作為提高熱機效率指明了方向；他的結(jié)論已經(jīng)包含了熱力學(xué)第二定律的基本思想，只是熱質(zhì)觀念的阻礙，他未能完全探究到問題的最終答案。由于卡諾英年早逝，他的工作很快被人遺忘。后來，由于法國工程師克拉珀瓏（BPEClapeyron，17991864）在1834 年的重新研究和發(fā)展，卡諾的理論才為

10、人們所注意?？死戥噷⒖ㄖZ循環(huán)在一種“壓（力）-容（積）圖”上表示出來，并證明卡諾熱機在一次循環(huán)中所做的功，其數(shù)值恰好等于循環(huán)曲線所圍的面積?？死戥嚨墓ぷ鳛榭ㄖZ理論的進一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。名詞解釋：卡諾熱機1 卡諾熱機他是最省能量的熱機，但僅是理論上能實現(xiàn)。 第一階段，溫度為的等溫膨脹過程，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次諢崃浚坏诙A段，絕熱膨脹過程，系統(tǒng)溫度從 降到；第三階段，溫度為的等溫壓縮過程，系統(tǒng)把熱量釋放給低溫?zé)嵩?；第四階段，絕熱壓縮過程，系統(tǒng)溫度從升高到。他研究的結(jié)論，就是人們總結(jié)的卡諾定理，其核心內(nèi)容是：在相同高溫?zé)嵩磁c相同低溫?zé)嵩粗g工作的一切可逆卡諾熱機效率相同（在實現(xiàn)熱的動力過程中，

11、不存在任何不是由于體積變化而引起的溫度變化的熱機）。學(xué)物理者必知的邏輯證明卡諾定理及熱力學(xué)第二定律錯誤 源自科技創(chuàng)新導(dǎo)報2010年25期10頁。本文旨在探索沒有任何假設(shè)條件下，認識物質(zhì)的物理規(guī)律時如何遵守邏輯規(guī)則推理形成正確結(jié)論，今后不被證明存在錯誤。亞里士多德物理學(xué)關(guān)于重物下落更快的理論存在一千多年后，某一天被伽里略是用一根繩子鏈接輕重物體時，推證亞里士多德的物理學(xué)錯誤。我做了一個試驗：用兩個乒乓球，一個注滿水，一個是空的，然后同時從高處落下，現(xiàn)象確實是重的下落更快。說明伽里略的發(fā)現(xiàn)并沒有改變現(xiàn)象，伽里略和亞里士多德都看見了重物下落更快的。但是現(xiàn)象還不是科學(xué)，亞里士多德的錯誤屬于物理學(xué)錯誤。

12、 卡諾定理存在同樣的嚴重缺陷我們發(fā)現(xiàn)卡諾熱機的內(nèi)部熱容可以任意改變，新型理想熱機是在卡諾熱機的內(nèi)部增加了固體物質(zhì)的熱機，因此可以隨意改變卡諾熱機的內(nèi)部熱容，對它的循環(huán)工作進行分析發(fā)現(xiàn)最高理想工作效率大于，這樣邏輯推理就能證明卡諾定理錯誤。不要因為看見了熱從高溫向低溫流動的現(xiàn)象就認為熱力學(xué)第二定律成立。 卡諾熱機的循環(huán)過程中其內(nèi)部熱容只有二種變化情形：卡諾熱機的恒溫膨脹或壓縮過程其實就是讓卡諾熱機的熱容變?yōu)闊o窮大的一種情形，而絕熱膨脹或壓縮過程就是讓它的熱容變?yōu)樽钚〉囊环N情形。在卡諾熱機的內(nèi)部加入固體物質(zhì)后產(chǎn)生了隨意改變它的熱容的新情形。實際上就使得絕熱過程從始態(tài)到終態(tài)的PV線可以被任意改變，據(jù)

13、此可知在不留下痕跡時熱機效率可以大于。分析首次發(fā)現(xiàn)了自然界還存在一個熱動力原理。如果一個理論在邏輯形式上表達出現(xiàn)錯誤，那就難以成立。名詞解釋：熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律科技名詞定義中文名稱：熱力學(xué)第二定律英文名稱：second law of thermodynamics定義：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。 熱力學(xué)第二定律，熱力學(xué)基本定律之一，內(nèi)容為不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過程中熵的

14、微增量總是大于零。概述/定義英文翻譯：the second law of thermodynamics 不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。 不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?這是從能量消耗的角度說的,它說明第二類永動機是不可能實現(xiàn)的）。 說明熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一，是指熱永遠都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處(在自然狀態(tài)下)。它是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有不可逆性的經(jīng)驗總結(jié)。 上述(1)中的講法是克勞修斯(Clausius)在1850年提出的。的講法是開爾文于1851年提出的。這些表述都是等效的。 在的講法

15、中，指出了在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能由低溫物體自動向高溫物體轉(zhuǎn)移，也就是說在自然條件下，這個轉(zhuǎn)變過程是不可逆的。要使熱傳遞方向倒轉(zhuǎn)過來，只有靠消耗功來實現(xiàn)。 在的講法中指出，自然界中任何形式的能都會很容易地變成熱，而反過來熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能，從而說明了這種轉(zhuǎn)變在自然條件下也是不可逆的。熱機能連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C械功1，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了創(chuàng)造能量和消滅能量的可能性，第二定律闡明了過程進行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 人們曾設(shè)想制造一種能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其

16、他影響的機器，這種空想出來的熱機叫第二類永動機。它并不違反熱力學(xué)第一定律，但卻違反熱力學(xué)第二定律。有人曾計算過，地球表面有10億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低O.25度，放出熱量，將能變成一千萬億度的電能足夠全世界使用一千年。但只用海洋做為單一熱源的熱機是違反上述第二種講法的，因此要想制造出熱效率為百分之百的熱機是絕對不可能的。 從分子運動論的觀點看，作功是大量分子的有規(guī)則運動，而熱運動則是大量分子的無規(guī)則運動。顯然無規(guī)則運動要變?yōu)橛幸?guī)則運動的幾率極小，而有規(guī)則的運動變成無規(guī)則運動的幾率大。一個不受外界影響的孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部自發(fā)的過程總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)

17、進行，從此可見熱是不可能自發(fā)地變成功的。 熱力學(xué)第二定律只能適用于由很大數(shù)目分子所構(gòu)成的系統(tǒng)及有限范圍內(nèi)的宏觀過程。而不適用于少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。 根據(jù)熱力學(xué)第零定律，確定了態(tài)函數(shù)溫度； 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，確定了態(tài)函數(shù)內(nèi)能和焓； 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，也可以確定一個新的態(tài)函數(shù)熵。可以用熵來對第二定律作定量的表述。 熱力學(xué)第二定律過程第二定律指出在自然界中任何的過程都不可能自動地復(fù)原，要使系統(tǒng)從終態(tài)回到初態(tài)必需借助外界的作用，由此可見，熱力學(xué)系統(tǒng)所進行的不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)之間有著重大的差異，這種差異決定了過程的方向，人們就用態(tài)函數(shù)熵來描述這個差異，從理論上可以進一步證

18、明：可逆絕熱過程Sf=Si， 不可逆絕熱過程Sf>Si， 式中Sf和Si分別為系統(tǒng)的最終和最初的熵。 也就是說，在孤立系統(tǒng)內(nèi)對可逆過程，系統(tǒng)的熵總保持不變；對不可逆過程，系統(tǒng)的熵總是增加的。這個規(guī)律叫做熵增加原理。這也是熱力學(xué)第二定律的又一種表述。熵的增加表示系統(tǒng)從幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)演變，也就是從比較有規(guī)則、有秩序的狀態(tài)向更無規(guī)則，更無秩序的狀態(tài)演變。熵體現(xiàn)了系統(tǒng)的統(tǒng)計性質(zhì)。 條件第二定律在有限的宏觀系統(tǒng)中也要保證如下條件： 1、 該系統(tǒng)是線性的； 2、 該系統(tǒng)全部是各向同性的。 另外有部分推論很有意思：比如熱輻射：恒溫黑體腔內(nèi)任意位置及任意波長的輻射強度都相同，且在加入任意光學(xué)

19、性質(zhì)的物體時，腔內(nèi)任意位置及任意波長的輻射強度都不變。 熱力學(xué)第二定律與時間的單方向性所有不涉及熱現(xiàn)象的物理規(guī)律均時間反演對稱, 它們沒有對時間的方向作出規(guī)定. 所謂時間反演, 通俗地講就是時光倒流; 而物理定律時間反演對稱則指, 經(jīng)過時間反演后, 該定律依然成立. 以牛頓定律為例, 它是時間反演對稱的. 不妨考察自由落體運動: 一物體由靜止開始, 在重力作用下自由下落, 其初速度V(0)=0, 加速度a=g, 設(shè)其末速度為V(t), 下落高度為h. 現(xiàn)進行時間反演, 則有其初速度V'(0)=-V(t), 加速度a'=g, 末速度V'(t)=V(0), 上升高度為h, 易證這依然滿足牛頓定律. 但熱現(xiàn)象則不同, 一杯水初始溫度等于室溫, 為T(0), 放在點燃酒精燈上, 從酒精燈火焰吸收熱量Q后溫度為T(t). 現(xiàn)進行時間反演, 則是水的初溫為T'(0)=T(t), 放在點燃酒精燈上, 放出熱量Q給酒精燈火焰, 自身溫度降為T'(t)=T(0). 顯然這違背了熱力學(xué)第二定律關(guān)于熱量只能從高溫物體傳向低