卡诺是怎么发现卡诺循环的？

卡诺是怎样发觉卡诺循环的？

卡诺循环在学习热力学第二定律时是绕不开的一道坎，信赖你一定能将此循环的听从算得清明净白！不外你一定也会在内心有过疑惑——为什么卡诺就能灵光一现找到这个抱负循环，并且照旧听从最高的循环呢？

01 年代背景

若不事前铺垫一下卡诺所处的年代背景，你将很难了解卡诺为什么会在头脑里冒出云云神奇的点子。

那是热质假说占统治位置的时期，简便来说就是热质被以为是物体的一种特别因素，物体所含热质的几多表如今物体的冷热不同。这个想法但是不难了解，你含有什么东西就会对外表显露什么实质嘛。

另有就是热质会在不同温度的物体间活动，并且在活动的历程中具有守恒的特点。毕竟自古以来，人们关于守恒量的执念就从没断过。关于热质学说，你晓得以上两个中心看法即可。

别的一个背景就是产业反动使得种种机器被多量使用，怎样提高机器的听从就是一个很实际的成绩。

机器也不是仅有蒸汽机，用水推进的水轮机也算。卡诺的老爹关于提高水轮机的听从很有看法，他以为计划抱负的水轮机不应该有一丁点的丧失（好比说不克不及激起水花大概构成漩涡等），必需让水流很平滑地推进安装。如果水流像瀑布那样冲下去去推进水轮机，看起来相当壮观，但是水轮机的事情听从并不高。

水要很平滑的在水轮中活动

02 卡诺的抱负热机

虎父无犬子，假如说卡诺的处理思绪有什么过人之处，那就是他从征象的眼前去寻觅广泛的纪律，实情是透过征象看到了实质。

卡诺起首明白了热机的事情原理——热机对否事情并不是取决于事情介质含有几多热质，而是取决于热质在事情介质中的活动！

能有这个想法一点也不特别，由于这完善是类比水轮机的事情原理——纵使给你一宁静洋的水，要是水没有活动，它能推进水轮机事情么？以是流水才是紧张嘛，迁徙到热机身上，要求热质活动也就不敷为奇了嘛！

至于怎样让热质活动起来，你弄两个温度不同的物体不就行了么？由于温度不同的物体互相交往时，热质会从低温物体流向温度低物体。你瞧，这和水从高处往低处流是云云的相似。

由于热质在事情介质中活动会伴随着事情介质体积的厘革，普通来说就稀有的热胀冷缩征象。正是事情介质体积的厘革才干推进热机里的活塞活动，从而使得热机事情。

而热胀冷缩征象并不是气体的专有征象，在液体和固体身上都市产生，于是卡诺敏锐发觉到热机对否事情与所选的事情介质不关，它不挑食！

至于热机的听从成绩，卡诺以为抱负的热机不应该有丧失，这一点深受他爹对抱负机器的计划理念的影响。对热机来说，刨除种种机器摩擦之外，它的丧失泉源于不是由事情介质的体积厘革而招致事情介质的温度厘革。

有点绕口是不是？但是很好了解，由于温度有厘革就意味着热质会活动，也就具有了使热机事情的约莫；反过去说，假如温度厘革了，但是热机没有事情，那么这个厘革历程关于热机来说就是丧失！

卡诺指出，事情介质的温度厘革有两种途径——改动它的体积以及与不同温度的物体产生交往（他很严谨地指出不思索有化学反响而招致的温度厘革）。此中仅有体积厘革才会让热机事情，尔后一途径就属于卡诺眼中的丧失！以是卡诺的抱负热机不允许存在不同温度的物体产生交往。

于是，在摸清了热机的实质之后，以寻求最大听从为目标，卡诺将抱负热机笼统成如此一个简化模子：气体（事情介质）被关闭在一段柱体内，有一个活塞可以在柱体里不计摩擦地往返活动，在柱体外有一个恒温的低温热源和一个恒温的温度低热源。

热机模子

03 为什么会想到卡诺循环

循环很好了解，就是让事情介质在低温形态和温度低形态之间往复厘革，如此才干让热机持续事情。至于经过什么办法来完成循环，卡诺以前给提出了听从最大的标准——制止不同温度的物体产生交往！

1、你得先让导热功能精良的柱体与低温热源A交往，使其内里的气体到达与低温热源A相反的温度，这是循环的出发点，假定活塞如今处在cd地点。

2、然后在坚持柱体与低温热源A交往的条件下，挪动活塞来增大气体的体积，由于如此就能使气体从低温热源A里吸取热质。假定此历程完毕时，活塞处于了ef地点。显然，这里产生的热质活动是经过气体体积的改动来完成的，以是没有卡诺所说的丧失。

如今柱体内的气体已从低温热源A处吸取了热质，必要将其转达给温度低热源B。但是如今气体的温度处于低温形态，不克不及将其直接与温度低热源B交往，不然就会产生卡诺所说的丧失，从而让热机的听从变低。换做是你，你会想到什么方案？

照旧只能经过改动体积的办法来改动柱体内的气体温度！此时必要低落气体温度，以是不克不及再将柱体与低温热源A交往了。同时为了制止热质流向其他物体（好比柱体外的氛围），必要将柱体包裹起来，不克不及让其有热量的传导，也就是让柱体内的气体处于绝热形态。

3、在这种情况下，持续增大气体的体积，气体的温度就会下降。当其温度下降到和温度低热源B的温度相反时中止变大，假定活塞此时抵达了gh地点。

4、接着，你就可以把排除包裹的柱体拿去与温度低热源B交往了。由于此时柱体内里的气体温度与温度低热源B的温度相反，故只需紧缩气体的体积便可将之前从低温热源A处吸取的热质转达给温度低热源B。当活塞重新回到cd地点时，之前吸取的热质就全部转达给了温度低热源。

5、最初一步就很好了解了，为了能让热机持续事情，气体必需重新回到低温形态以开头下一次循环。在不产生丧失的条件下，务必要将柱体与温度低热源B离开交往并将其包裹，以使其内里的气体处于绝热形态；然后持续紧缩气体使其升温，直到气体的温度即是低温热源A的温度才中止紧缩，假定活塞此时处在ik地点。

6、接着就是开头下一次循环，将排除包裹的柱体与低温热源A交往，使活塞从地点ik移到地点ef，经过增大气体的体积来吸取低温热源里的热质。之后就依照3-4-5-6-3-4-5-6...如此的排序不休循环下去。

以上便是卡诺循环的四个步调——等温变大、绝热变大、等温紧缩和绝热紧缩。

04 可逆是紧张

依照卡诺假想的抱负热机，它一定可以准确地逆向运转。由于抱负热机没有种种丧失，这意味着热机从低温热源A吸取了一定量的热质Q将其转达给温度低热源B并对外输入了一定量的功W；反过去，外界给这个热机输入相反的功W，这个热机就能原封不动地将几多热质Q从温度低热源B转达给低温热源A。

正向运转的抱负热机 VS 逆向运转的抱负热机

你可以如此类比，正向运转的热机就是水轮机，它使用水的势能来对外做功。而逆向运转的热机就是抽水机，外界对它做功就能把水从低处抽到高处。在不计任何丧失的条件下，把水轮机输入的功全部用到抽水机身上，则抽水机就能将之前流下的那么多水原封不动地从低处抽到高处！

这种可逆性是论证事情于两个安稳热源之间的一切热机里，抱负热机具有最高听从所必需具有的逻辑支持。固然卡诺本就假想的是抱负热机，它的听从一定最高，但他照旧要从逻辑上举行一番论证。

假定有任何一种优于这个抱负热机的其他热机存在，即此安装可以使用相反的热质产生更多的功，也就是下图中有干系式。

非抱负热机 VS 抱负热机

假如把这个热机与卡诺的抱负热机组合起来使用，那么就可以将这个热机输入的功的一局部用于抱负热机的逆向运转，从而把划一数目标热质从温度低热源前往给低温热源。同时，剩余的、对外输入的功为，这个后果大于零！

组合热机对外输入的功大于零，但是不必要热质活动

云云就意味着一个循环下去，我们子虚乌有输入了功！假如循环持续下去，这种组合的机器就能绵绵不休地输入更多的功而不需使用活动的热质，这不就是永动机了么？以是假定不建立，即事情于两个安稳热源之间的一切热机里，没有一种热机的听从高于抱负热机的听从。

相反的办法，你还可以拿另一个抱负热机来说事。假定如今有甲、乙两台抱负热机事情于两个安稳热源之间，你先用甲热机去驱动乙热机逆向运转，一定得出甲的听从不高于乙的听从。反过去，你不是还可以用乙热机去驱动甲热机逆向运转么？于是你就会得出乙的听从不高于甲的听从。

综合下去，你就会得出事情于两个安稳热源之间的一切抱负热机的听从一定相反的结论！这也印证了卡诺的看法：抱负热机的听从与事情介质没有干系！

这便是学名鼎鼎的卡诺定理的最初表述。不外我们也要遗憾地指出，固然这个结论是准确的，但是卡诺的证实依据有成绩，热质假说必必要出来背锅！待到二十来年之后，焦耳提出了热功转化的头脑，卡诺定理才由克劳修斯完成了准确地证实。

05 怎样做到可逆

既然可逆性关于卡诺的抱负热机云云紧张，是不是说只需在热机的循环历程里忽略种种摩擦，那么这个循环历程就是可逆的呢？

但是不然，毕竟热机从低温热源吸取热质将其转达给温度低热源并对外做功，意味着低温热源与温度低热源的温度存在分明的差别，这没法做出不改动任何条件的可逆利用。

于是卡诺提出了如此的做法：你可以想象一下在低温热源A与温度低热源Z之间另有一系列温度介于它俩之间的热源B、C、D...，致使于A到B，B到C，C到D...之间的温度相差都为无穷小。热质从低温热源A经B、C、D...渐渐转达到温度低热源Z那边去，并且热机在每个弱小历程里都以最大听从事情。由于在每个弱小历程里都能做逆向利用，以是关于整个循环也就能逆向利用啦。

哟，原本卡诺假想的可逆历程是一种抱负的极限情况！

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泉源：因物悦理

编纂：Tammy