什么叫做卡诺循环？

Question

卡诺循环工程中气体是怎么样做功的，包括绝热和等压压缩过程吗？

Answer 1

　　理想气体从状态1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等温膨胀到状态2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2），再从状态2绝热膨胀到状态3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3），此后，从状态3等温压缩到状态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构成的循环成为卡诺循环。卡诺循环可以想象为是工作与两个恒温热源之间的准静态过程，其高温热源的温度为Ｔ1，低温热源的温度为Ｔ2。这一概念是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效 率问题作理论研究时提出的。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、擦等损耗。为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程。作卡诺循环的热机叫做卡诺热机。
　　通过热力学相关定理我们可以得出，卡诺循环的效率ηc＝1-Ｔ2/Ｔ1，由此可以看出，卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，如果高温热源的温度Ｔ1愈高，低温热源的温度Ｔ2愈低，则卡诺循环的效率愈高。因为不能获得Ｔ1→∞的高温热源或Ｔ2=0K（-273℃）的低温热源，所以，卡诺循环的效率必定小于1。
　　可以证明，以任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致；还可以证明，所有实际循环的效率都低于同样条件下卡诺循环的效率，也就是说，如果高温热源和低温热源的温度确定之后卡诺循环的效率是在它们之间工作的一切热机的最高效率界限。因此，提高热机的效率，应努力提高高温热源的温度和降低低温热源的温度，低温热源通常是周围环境，降低环境的温度难度大、成本高，是不足取的办法。现代热电厂尽量提高水蒸气的温度，使用过热蒸汽推动汽轮机，正是基于这个道理。
　　卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向（提高T1，降低T2，减少散热。、漏气。、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环）。成为热机研究的理论依据。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究，导致热力学第二定律的建立。在卡诺定理基础上建立的与测温物质及测温属性无关的绝对热力学温标，使温度测量建立在客观的基础之上。此外，应用卡诺循环和卡诺定理，还可以研究表面张力、饱和蒸气压与温度的关系及可逆电池的电动势等。还应强调，卡诺这种撇开具体装置和具体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中。
　　创建背景 ：19世纪初，蒸汽机在工业、交通运输中的作用越来越重要，但关于控制蒸汽机把热转变为机械运动的各种因素的理论却未形成。法国军事工程师萨迪�6�1卡诺（S． Carnot，1796—1832）于1824年出版了《关于火的动力的思考》一书，总结了他早期的研究成果。卡诺以找出热机不完善性的原因作为研究的出发点，阐明从热机中获得动力的条件就能够改进热机的效率。卡诺分析了蒸汽机的基本结构和工作过程，撇开一切次要因素，由理想循环入手，以普遍理论的形式，作出关于消耗热而得到机械功的结论。他指出，热机必须在高温热源和低温热源之间工作，“凡是有温度差的地方就能够产生动力；反之，凡能够消耗这个力的地方就能够形成温度差，就可能破坏热质的平衡。”他构造了在加热器与冷凝器之间的一个理想循环：汽缸与加热器相连，汽缸内的工作物质水和饱和蒸汽就与加热器的温度相同，汽缸内的蒸汽如此缓慢地膨胀着，以致在整个过程中，蒸汽和水都处于热平衡。然后使汽缸与加热器隔绝，蒸汽绝热膨胀到温度降至与冷凝器的温度相同为止。然后活塞缓慢压缩蒸汽，经过一段时间后汽缸与冷凝器脱离，作绝热压缩直到回复原来的状态。这是由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环，即后来所称的“卡诺循环”。
　　卡诺根据热质守恒思想和永动机不可能制成的原理，进一步证明了在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于在同样的热源之间工作的可逆卡诺热机的效率。卡诺由此推断：理想的可逆卡诺热机的效率有一个极大值，这个极大值仅由加热器和冷凝器的温度决定，一切实际热机的效率都低于这个极值。
　　卡诺的研究具有多方面的意义。他的工作为提高热机效率指明了方向；他的结论已经包含了热力学第二定律的基本思想，只是热质观念的阻碍，他未能完全探究到问题的最终答案。由于卡诺英年早逝，他的工作很快被人遗忘。后来，由于法国工程师克拉珀珑（B．P．E．Clapeyron，1799—1864）在1834 年的重新研究和发展，卡诺的理论才为人们所注意。克拉珀珑将卡诺循环在一种“压（力）-容（积）图”上表示出来，并证明卡诺热机在一次循环中所做的功，其数值恰好等于循环曲线所围的面积。克拉珀珑的工作为卡诺理论的进一步发展创造了条件。

Answer 2

个系统若从某一状态出发，经一系列任意的过程又回到原来的状态，那么这一系列过程就组成了一个循环。构成系统的物质就称为工作物质。显然，在经历一个循环后系统的内能没有变化，这是循环的重要特征。准静态循环可以在p-V图上表示出来，如图17-12中的闭合曲线BC1DC2B所示。若循环是沿顺时针方向进行的，称为正循环；若循环是沿逆时针方向进行的，称为逆循环。需要指出，在本节的讨论中，我们按照通常的做法，在用A和Q分别表示功和热量时，均指其数值的大小，或绝对值。

我们来分析正循环中能量的转换情况。图17-12中箭头所表示的方向就是正循环的方向。系统由状态B出发，沿过程BC1D到达状态D，这是膨胀过程，系统对外界作功A1，显然A1等于BC1DFEB的面积。系统由状态D出发，沿过程DC2B回到状态B, 这是压缩过程，外界对系统作功A2，A2等于DC2BEFD的面积。所以, 完成一个正循环系统对外界作的功应为

A=A1 - A2 . (17-36)

功A必定等于闭合曲线BC1DC2B所包围的面积。系统在完成一个正循环回到原状态时，内能不变。而系统从外界吸收的热量Q1必定大于释放的热量Q2，根据热力学第一定律，两者之差Q1-Q2就等于系统对外界所作的功A。所以说，系统在正循环中从高温热源吸收热量，对外界作功, 同时还必须向低温热源释放热量；系统对外界所作的功等于系统吸收的热量与释放的热量之差。

在技术上往往要求工作物质能连续不断地把热转变为功，能满足这一要求的装置称为热机。正循环所表示的能量转换关系就反映了热机的能量转换的基本过程。

效率是热机性能的一个重要标志，定义为

由上式可见，热机效率的高低表示热机由外界吸收来的热量中有多少被转变为有用的功。

制冷机的能量转换的基本过程与逆循环一致。

Answer 3

卡诺循环是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，用以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：
等温膨胀，在这个过程中系统从环境中吸收热量；
绝热膨胀，在这个过程中系统对环境中作功；
等温压缩，在这个过程中系统向环境中放出热量；
绝热压缩，系统恢复原来状态，在这个过程中系统对环境作负功。
一个系统也就是一个热机的效率，取决于第一个状态的温度T1与第二个状态的温度T2,以及从环境中吸收的热量Q1和放出的热量Q2。效率为：
(Q1-Q2)/Q1=(T1-T1)/T1.

Answer 4