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卡诺循环的原理

日期：2018/2/28

卡诺循环

科技名词定义

中文名称：卡诺循环

英文名称：Carnot cycle

定义：由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程所组成的理想循环。

百科名片

卡诺循环

卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤： 等温膨胀， 绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。即理想气体从状态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。

简介

卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩

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。

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、摩擦等损耗。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[1]。

原理

卡诺循环的效率

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

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。

任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致

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。

提高热机效率的方向

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T3，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。

卡诺循环

正文

由两个定温过程和两个绝热过程（见热力过程）所组成的可逆的热力循环。卡诺循环是19世纪法国工程师S.卡诺提出的，因而得名。卡诺循环分正、逆两种。在压-容(p-V)图和温-熵(T-S)图中（见图）, ɑ-b-c-d-ɑ为正卡诺循环，ɑ-b为可逆定温吸热过程，工质在温度T1下从相同温度的高温热源吸入热量Q1；b-c为可逆绝热过程,工质温度自T1降为T2；c-d为可逆定温放热过程，工质在温度T2下向相同温度的低温热源排放热量Q2；d-ɑ为可逆绝热过程,工质温度自T2升高到T1，完成一个可逆循环,对外作出净功W。逆卡诺循环与上述正向循环反向,沿ɑ-d-c-b-ɑ方向,因而Q2是工质从低温热源吸入的热量(通称制冷量),Q1是工质排放给高温热源的热量,W是完成逆向循环所需的外界输入的净功。

正卡诺循环的热经济指标用卡诺循环热效率ηt表示

正卡诺循环

逆卡诺循环的热经济指标用卡诺制冷系数ε表示或用卡诺供暖系数ε′表示

逆卡诺循环

根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中,以卡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意义。虽然，完全按照卡诺循环工作的装置是难以实现的，但是卡诺循环却为提高各种循环热效率指明了方向和给出了极限值。

创建背景

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