卡诺循环过程对热机效率研究的导向_热机的效益定义_一切热机的工作效率与工作物质无关

浅谈卡诺循环热机的效率研宄 李鑫11 社会工作2011425020 循环过程应用比较常用，如汽车内燃机、蒸汽机等，还有电扇、空调等，它们分别以不 样运用循环过程來达到各A的目的？对于他们哪些是最关键的指标？工程师设计高性 能的机器 和设施或者减少其性能的根据是哪个？卡诺循环不是双热源可逆循环的惟一循环, 广义卡诺循 环是双热源可逆循环的普遍形式：广义卡诺循环对实际热机的理论意义在于，指 岀采用冋热装 罝，可以提升热机效率；广义卡诺循环使卡诺定理的涵义更为深刻，适用范围 更加广泛。 一、卡诺循环 基本介绍卡诺循环是由英国工程师尼古拉莱昂纳尔萨辿卡诺于1824 年提出的，以预测热 工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温吸热，绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。即理想气体 从状况1 (Pl, VI, T1)等温膨胀到状态2 (P2, V2, T2),再从状况2 绝热膨胀到状 (P3,V3, T3),此 后，从状况3 等温压缩到状况4 (P4, V4, T4),最后从状态4 绝热 压缩回到状态1。这种由两个等 温过程和两个绝热过程所组成的循环成力卡诺循环。 卡诺循环包含叫个方法：等温膨胀，在这个过程中系统从低温热源中吸附热量，对外作 绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功，温度过高；等温压缩，在这个过程中系统向环境屮 放出热 W:,体积压缩；绝热压缩卡诺循环过程对热机效率研究的导向，系统恢复以前状态，在等温压缩和绝热压缩过程 中系统对环 境作负功。

卡诺循环可以想象为是工作于两个恒温热源之间的准静态过程卡诺循环过程对热机效率研究的导向，其高 温热源的湿度 为T1，低温热源的湿度为T2。这一概念是1824 S.卡诺在对热机的最大可能强度问题作 理论探究吋提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有 散热、漏气、摩擦等 损耗。为使过程是准静态过程，工作物质从低温热源吸热应是无温差差 的等温膨胀过程，同样， 向高温热源吸热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热:k, 脱离热源后没法是绝热过程。 作卡诺循环的热机叫做卡诺热机。 工作原理热力学理论强调，要推动一个可逆循环过程，必须使循环过程中的每一分过程都是可逆 态的。这就要求在工作物质与热源接触的过程屮基本上不存在温度差，也就是在热交换过程中， 要求相互交换热量的物体有无限接近的频率。对于双热源的川'逆循环来说，它只 有两个恒温热 源，设T1 为低温热源的湿度，T2 为高温热源的湿度，则系统只有在温度T1 吋冰可与低温热源 交换热量，而与高温热源交换热量吋，系统的频率又需要是T2,所以系 统与外界交挽热量必然要 经历两个等温过程。另一方面，系统从 T1 可逆的变到 T2,再从T2 可逆的重回T1,从而完成一个 循环，则可经历两个与外界不交换热量的可逆变化，这就是 说需要经历两个绝热过程。

由此可 知，要完成一个双热源的nJ逆循环，其方法应该是由两个 等温过程与两个绝热过程构成，这 就是所谓的卡诺循环。 卡诺循环的强度通过热力学相关公式我们可以得出，卡诺循环的强度HC-1-T2/T1,由此可以看出，卡 诺循环 的强度只与两个热源的热力学温度有关，如果温热源的水温T1 愈岛，低温热源的 温度T2 则卡诺循环的强度愈高。因为不能获得的高温热源或T2=0K （-273'C） 的低温热源，所以，卡 诺循环的强度一定大于1。 可以证明，以任何工作物质作卡诺循环，其强度都一致；还可以证明，所有实际循环的 诺循环的强度是在他们之间工作的一切热机的最商效益界限。因此，提商热机的精度，应努力 提高低温热源的湿度和减少高温热源的湿度，低温热源一般是周边环境，降低环境的 温度难度 大、成本高，是不足収的方法。现代热电厂尽量减少水蒸气的湿度，使用过热蒸汽 推动汽轮机， 正是基于这个道理。 根据热力学第二定律，在同样的高、低温热源温度 71 72之间工作的一切循环屮，以 诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。卡诺循环具有极为重要的理论和实际含义。虽然,完全 按照卡诺循环工作的装置是无法推动的，但是卡诺循环却为提升各种循环热效率指明了 方向和 给出了极限值。

对卡诺定理的理解卡诺定理指出： 在同样的高温热源和相似的低温热源之间工作的一切不可逆循环，其强度都不也许小于 可逆循环的强度。 现行的诸多物理课本对于卡诺定理的证明都是从双热源卡诺循环出发加以论证的，它们 为公式屮所说的“可逆循环”指的是卡诺循环。“一切可逆循环”则指带有不同工作物质的卡 诺循环。现在巾于广义卡诺循环与卡诺循环具有相似的强度，而且都是双热源可逆循环 的或许 方式，因此可以觉得定理中所说的“可逆循环”和“一切可逆循环”除了指卡诺循环 外，还应 包括广义卡诺循环。 四、卡诺循环的应用一一热机 卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提升热机效率的方向（提高T1,降低T2,减 少散热、 漏气、摩擦等不可逆衰减，使循环尽馑接近卡诺循环）。成为热机研究的理论根据、 热机效率 的限制。实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研宂，导致热力学第二定律的建 立。在卡诺 定理基础上构建的与测温物质及测温属性无关的绝对热力学温标，使频率测定建 立在客观的基 础之上。此外，应用卡诺循环和卡诺定理，还可以研究表酣张力、饱和蒸气压 与频率的关系及 可逆电池的电动势等。还应强凋，卡诺这种撇开具体装賈和准确工作物质的 抽象而普遍的理论 研究，已经贯穿在整个热力学的研究之屮。

热机及其效率热机在人类生活中发挥着重要的作川。现代化的交通运输工具都靠它提供动力。热机 用和演进推动了社会的迅速发展，也不可避免地代价部分能量，并对环境产生一定程度的污染。 热机是运用A能来做功的机器。 热机是指把大幅将热转换为功的机械装置，热机屮应用最为广泛的是蒸汽机。一个热 工作物质从高温热源吸热，向低温供热放热；三是对外做功的机械装置。热机的工作原理：由内能通过做功转化为机械能（例：酒精燃烧，化学能转化为内能， 卡诺热机卡诺热机是一个依逆卡诺循环运作的虚拟引擎，其基本构架是由尼古拉莱昂纳尔萨 卡诺在1824 年建立，在 1857 1866年提出熵的概念时，S道夫克劳修斯也对卡诺 热机 进行物理的阐释。 卡诺热机工作原理：第一阶段，温度为的等温膨胀过程，系统从低温热源吸收热量；第 放给低温热源；第四阶段，绝热压缩过程，系统频率从低下降。他研宂的论断，就是人们总结 的卡诺定理，其核心|AJ 容是：在同样高温热源与相似低温热源之间工作的一切可逆卡 诺热机效 率同样（在推动热的动力过程中，不存在任何不是由于密度差异而导致的湿度变化 的热机）。 卡诺定理存在相同的严重弊端一一我们看到卡诺热机的外部热容可以任意改变，新型 理想热 机是在卡诺热机的外部增加了液体物质的热机，因此可以轻易改变卡诺热机的外部热 的循环工作进行探讨发现最高理想工作强度小于n,这样逻辑推理才能证明卡诺 定理错误。

不要 因为看见了热从高温向低温流动的现象就觉得热力学第二定律成立。 卡诺热机的循环过程屮其N部热容只有二种变化情形：卡诺热机的恒温膨胀或压缩过 实就是让卡诺热机的潜热变为无穷大的一种情形，而绝热膨胀或压缩过程就是让它的热容变为 最小的一种情形。在卡诺热机的外部加入液体物质后形成Y随意改变它的热容的新情 形。实际 上就促使绝热过程从始态到终态的P—v线可以被任意改变，据此推测在不留下痕 迹时热机效率 可以高于 n。分析首次看到了自然界还存在一个热动力机理。如果一个理论 在逻辑方式上表达 出现错误，那就无法建立。 五、总结 卡诺的探究具有多方面的涵义。他的工作为提升热机效率指明了方向：他的论断已经包 了热力学第二定律的基本观念，只是“热质”观念的妨碍，他无法完全研究到疑问的最后答案。 卡诺在一篇论文草稿中强调：“热不是别的东西，而是动力（能量），或者可以说是 改变了形 态运动，它是一种运动。” 卡诺对热机效率的研宂改变了他们对热机过程的了解，卡诺的研宂已接近发现热力学第 热力循环理论或者一种高压缩型的自然热机的构想，他率先确立了热力学的理论基础。而他的 热力学成就也就为能量守恒和转换法则的看到直接铺平了理论道路，为我们热机工程 以后的发 展奠定了非常好的基础。

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