卡諾是怎么發現卡諾循環的？

卡諾是怎樣發覺卡諾循環的？

卡諾循環在學習熱力學第二定律時是繞不開的一道坎，信賴你一定能將此循環的聽從算得清明凈白！不外你一定也會在內心有過疑惑——為什么卡諾就能靈光一現找到這個抱負循環，并且照舊聽從最高的循環呢？

01 年代背景

若不事前鋪墊一下卡諾所處的年代背景，你將很難了解卡諾為什么會在頭腦里冒出云云神奇的點子。

那是熱質假說占統治位置的時期，簡便來說就是熱質被以為是物體的一種特別因素，物體所含熱質的幾多表如今物體的冷熱不同。這個想法但是不難了解，你含有什么東西就會對外表顯露什么實質嘛。

另有就是熱質會在不同溫度的物體間活動，并且在活動的歷程中具有守恒的特點。畢竟自古以來，人們關于守恒量的執念就從沒斷過。關于熱質學說，你曉得以上兩個中心看法即可。

別的一個背景就是產業反動使得種種機器被多量使用，怎樣提高機器的聽從就是一個很實際的成績。

機器也不是僅有蒸汽機，用水推進的水輪機也算?？ㄖZ的老爹關于提高水輪機的聽從很有看法，他以為計劃抱負的水輪機不應該有一丁點的喪失（好比說不克不及激起水花大概構成漩渦等），必需讓水流很平滑地推進安裝。如果水流像瀑布那樣沖下去去推進水輪機，看起來相當壯觀，但是水輪機的事情聽從并不高。

水要很平滑的在水輪中活動

02 卡諾的抱負熱機

虎父無犬子，假如說卡諾的處理思緒有什么過人之處，那就是他從征象的眼前去尋覓廣泛的紀律，實情是透過征象看到了實質。

卡諾起首明白了熱機的事情原理——熱機對否事情并不是取決于事情介質含有幾多熱質，而是取決于熱質在事情介質中的活動！

能有這個想法一點也不特別，由于這完善是類比水輪機的事情原理——縱使給你一寧靜洋的水，要是水沒有活動，它能推進水輪機事情么？以是流水才是緊張嘛，遷徙到熱機身上，要求熱質活動也就不敷為奇了嘛！

至于怎樣讓熱質活動起來，你弄兩個溫度不同的物體不就行了么？由于溫度不同的物體互相交往時，熱質會從低溫物體流向溫度低物體。你瞧，這和水從高處往低處流是云云的相似。

由于熱質在事情介質中活動會伴隨著事情介質體積的厘革，普通來說就稀有的熱脹冷縮征象。正是事情介質體積的厘革才干推進熱機里的活塞活動，從而使得熱機事情。

而熱脹冷縮征象并不是氣體的專有征象，在液體和固體身上都市產生，于是卡諾敏銳發覺到熱機對否事情與所選的事情介質不關，它不挑食！

至于熱機的聽從成績，卡諾以為抱負的熱機不應該有喪失，這一點深受他爹對抱負機器的計劃理念的影響。對熱機來說，刨除種種機器摩擦之外，它的喪失泉源于不是由事情介質的體積厘革而招致事情介質的溫度厘革。

有點繞口是不是？但是很好了解，由于溫度有厘革就意味著熱質會活動，也就具有了使熱機事情的約莫；反過去說，假如溫度厘革了，但是熱機沒有事情，那么這個厘革歷程關于熱機來說就是喪失！

卡諾指出，事情介質的溫度厘革有兩種途徑——改動它的體積以及與不同溫度的物體產生交往（他很嚴謹地指出不思索有化學反響而招致的溫度厘革）。此中僅有體積厘革才會讓熱機事情，爾后一途徑就屬于卡諾眼中的喪失！以是卡諾的抱負熱機不允許存在不同溫度的物體產生交往。

于是，在摸清了熱機的實質之后，以尋求最大聽從為目標，卡諾將抱負熱機籠統成如此一個簡化模子：氣體（事情介質）被關閉在一段柱體內，有一個活塞可以在柱體里不計摩擦地往返活動，在柱體外有一個恒溫的低溫熱源和一個恒溫的溫度低熱源。

熱機模子

03 為什么會想到卡諾循環

循環很好了解，就是讓事情介質在低溫形態和溫度低形態之間往復厘革，如此才干讓熱機持續事情。至于經過什么辦法來完成循環，卡諾以前給提出了聽從最大的標準——制止不同溫度的物體產生交往！

1、你得先讓導熱功能精良的柱體與低溫熱源A交往，使其內里的氣體到達與低溫熱源A相反的溫度，這是循環的出發點，假定活塞如今處在cd地點。

2、然后在堅持柱體與低溫熱源A交往的條件下，挪動活塞來增大氣體的體積，由于如此就能使氣體從低溫熱源A里吸取熱質。假定此歷程完畢時，活塞處于了ef地點。顯然，這里產生的熱質活動是經過氣體體積的改動來完成的，以是沒有卡諾所說的喪失。

如今柱體內的氣體已從低溫熱源A處吸取了熱質，必要將其轉達給溫度低熱源B。但是如今氣體的溫度處于低溫形態，不克不及將其直接與溫度低熱源B交往，不然就會產生卡諾所說的喪失，從而讓熱機的聽從變低。換做是你，你會想到什么方案？

照舊只能經過改動體積的辦法來改動柱體內的氣體溫度！此時必要低落氣體溫度，以是不克不及再將柱體與低溫熱源A交往了。同時為了制止熱質流向其他物體（好比柱體外的氛圍），必要將柱體包裹起來，不克不及讓其有熱量的傳導，也就是讓柱體內的氣體處于絕熱形態。

3、在這種情況下，持續增大氣體的體積，氣體的溫度就會下降。當其溫度下降到和溫度低熱源B的溫度相反時中止變大，假定活塞此時抵達了gh地點。

4、接著，你就可以把排除包裹的柱體拿去與溫度低熱源B交往了。由于此時柱體內里的氣體溫度與溫度低熱源B的溫度相反，故只需緊縮氣體的體積便可將之前從低溫熱源A處吸取的熱質轉達給溫度低熱源B。當活塞重新回到cd地點時，之前吸取的熱質就全部轉達給了溫度低熱源。

5、最初一步就很好了解了，為了能讓熱機持續事情，氣體必需重新回到低溫形態以開頭下一次循環。在不產生喪失的條件下，務必要將柱體與溫度低熱源B離開交往并將其包裹，以使其內里的氣體處于絕熱形態；然后持續緊縮氣體使其升溫，直到氣體的溫度即是低溫熱源A的溫度才中止緊縮，假定活塞此時處在ik地點。

6、接著就是開頭下一次循環，將排除包裹的柱體與低溫熱源A交往，使活塞從地點ik移到地點ef，經過增大氣體的體積來吸取低溫熱源里的熱質。之后就依照3-4-5-6-3-4-5-6...如此的排序不休循環下去。

以上便是卡諾循環的四個步調——等溫變大、絕熱變大、等溫緊縮和絕熱緊縮。

04 可逆是緊張

依照卡諾假想的抱負熱機，它一定可以準確地逆向運轉。由于抱負熱機沒有種種喪失，這意味著熱機從低溫熱源A吸取了一定量的熱質Q將其轉達給溫度低熱源B并對外輸入了一定量的功W；反過去，外界給這個熱機輸入相反的功W，這個熱機就能原封不動地將幾多熱質Q從溫度低熱源B轉達給低溫熱源A。

正向運轉的抱負熱機 VS 逆向運轉的抱負熱機

你可以如此類比，正向運轉的熱機就是水輪機，它使用水的勢能來對外做功。而逆向運轉的熱機就是抽水機，外界對它做功就能把水從低處抽到高處。在不計任何喪失的條件下，把水輪機輸入的功全部用到抽水機身上，則抽水機就能將之前流下的那么多水原封不動地從低處抽到高處！

這種可逆性是論證事情于兩個安穩熱源之間的一切熱機里，抱負熱機具有最高聽從所必需具有的邏輯支持。固然卡諾本就假想的是抱負熱機，它的聽從一定最高，但他照舊要從邏輯上舉行一番論證。

假定有任何一種優于這個抱負熱機的其他熱機存在，即此安裝可以使用相反的熱質產生更多的功，也就是下圖中有干系式。

非抱負熱機 VS 抱負熱機

假如把這個熱機與卡諾的抱負熱機組合起來使用，那么就可以將這個熱機輸入的功的一局部用于抱負熱機的逆向運轉，從而把劃一數目標熱質從溫度低熱源前往給低溫熱源。同時，剩余的、對外輸入的功為，這個后果大于零！

組合熱機對外輸入的功大于零，但是不必要熱質活動

云云就意味著一個循環下去，我們子虛烏有輸入了功！假如循環持續下去，這種組合的機器就能綿綿不休地輸入更多的功而不需使用活動的熱質，這不就是永動機了么？以是假定不建立，即事情于兩個安穩熱源之間的一切熱機里，沒有一種熱機的聽從高于抱負熱機的聽從。

相反的辦法，你還可以拿另一個抱負熱機來說事。假定如今有甲、乙兩臺抱負熱機事情于兩個安穩熱源之間，你先用甲熱機去驅動乙熱機逆向運轉，一定得出甲的聽從不高于乙的聽從。反過去，你不是還可以用乙熱機去驅動甲熱機逆向運轉么？于是你就會得出乙的聽從不高于甲的聽從。

綜合下去，你就會得出事情于兩個安穩熱源之間的一切抱負熱機的聽從一定相反的結論！這也印證了卡諾的看法：抱負熱機的聽從與事情介質沒有干系！

這便是學名鼎鼎的卡諾定理的最初表述。不外我們也要遺憾地指出，固然這個結論是準確的，但是卡諾的證實依據有成績，熱質假說必必要出來背鍋！待到二十來年之后，焦耳提出了熱功轉化的頭腦，卡諾定理才由克勞修斯完成了準確地證實。

05 怎樣做到可逆

既然可逆性關于卡諾的抱負熱機云云緊張，是不是說只需在熱機的循環歷程里忽略種種摩擦，那么這個循環歷程就是可逆的呢？

但是不然，畢竟熱機從低溫熱源吸取熱質將其轉達給溫度低熱源并對外做功，意味著低溫熱源與溫度低熱源的溫度存在分明的差別，這沒法做出不改動任何條件的可逆利用。

于是卡諾提出了如此的做法：你可以想象一下在低溫熱源A與溫度低熱源Z之間另有一系列溫度介于它倆之間的熱源B、C、D...，致使于A到B，B到C，C到D...之間的溫度相差都為無窮小。熱質從低溫熱源A經B、C、D...漸漸轉達到溫度低熱源Z那邊去，并且熱機在每個弱小歷程里都以最大聽從事情。由于在每個弱小歷程里都能做逆向利用，以是關于整個循環也就能逆向利用啦。

喲，原本卡諾假想的可逆歷程是一種抱負的極限情況！

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泉源：因物悅理

編纂：Tammy