卡諾與熱機(jī)理論

1、卡諾與熱機(jī)理論,夜戰(zhàn)10016,背景,熱力學(xué)第二定律的發(fā)展與提高熱機(jī)效率的研究有密切關(guān)系。蒸汽機(jī)雖然在18世紀(jì)就已發(fā)明，但它從初創(chuàng)到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的年月。1765年和1782年，瓦特兩次改進(jìn)蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)，使蒸汽機(jī)的應(yīng)用得到了很大發(fā)展，但是效率仍不高。如何進(jìn)一步提高機(jī)器的效率就成了當(dāng)時(shí)工程師和科學(xué)家共同關(guān)心的問(wèn)題。,拉札爾·卡諾,拉札爾·卡諾（Lazre Nicolas Carnot,1753-1823）率

2、先研究了這類問(wèn)題，在他的著作中討論了各種機(jī)械的效率，隱晦地提出這樣一個(gè)觀念：設(shè)計(jì)低劣的機(jī)器往往有“丟失”或“浪費(fèi)”。當(dāng)時(shí)，在水力學(xué)中有一條卡諾原理，就是拉札爾·卡諾提出的，說(shuō)的是效率最大的條件是傳送動(dòng)力時(shí)不出現(xiàn)振動(dòng)和湍流，這實(shí)際上反映了能量守恒的普遍規(guī)律。,薩迪·卡諾,1824年薩迪·卡諾發(fā)表了著名論文《關(guān)于火的動(dòng)力及適于發(fā)展這一動(dòng)力的機(jī)器的思考》，提出了在熱機(jī)理論中有重要地位的卡諾定理，這個(gè)定理后來(lái)成了熱

3、力學(xué)第二定律的先導(dǎo)。他寫道①： “為了以最普遍的形式來(lái)考慮熱產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原理，就必須撇開(kāi)任何的機(jī)構(gòu)或任何特殊的工作物質(zhì)來(lái)進(jìn)行考慮，就必須不僅建立蒸汽機(jī)原理，而且要建立所有假想的熱機(jī)的原理，不論在這種熱機(jī)里用的是什么工作物質(zhì)，也不論以什么方法來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)它們。” 卡諾取最普遍的形式進(jìn)行研究的方法，充分體現(xiàn)了熱力學(xué)的精髓。他撇開(kāi)一切次要因素，徑直選取一個(gè)理想循環(huán)，由此建立熱量和其轉(zhuǎn)移過(guò)程中所作功之間的理論聯(lián)系。,①轉(zhuǎn)

4、引自：Lindary,ed.Energy:Historical Development of the Concept.Dowden:Hutchinson&Ross,1975.231,他首先作了如下假設(shè)：“設(shè)想兩個(gè)物體A與B，各保持于恒溫，A的溫度高于B；兩者不論取出熱或獲得熱，均不引起溫度變化，其作用就象是兩個(gè)無(wú)限大的熱質(zhì)之庫(kù)。我們稱A為熱源，稱B為冷凝器?！比鐖D2-24,然后他設(shè)想有一種彈性流體，例如大氣，封閉在裝有活動(dòng)隔板

5、或活塞cd的圓柱形容器abcd中。,1.將A與容器 abcd中的空氣或與容器之壁接觸，假設(shè)此壁是熱質(zhì)的良導(dǎo)體。由于這一接觸，空氣得到與A相同的溫度。cd為活塞所處的位置。2.活塞逐漸上升，直至取得ef的位置。保持空氣與A接觸，因此在空氣稀釋的過(guò)程中溫度保持恒定，物體A提供了保持恒溫所需的熱質(zhì)。,3.移開(kāi)物體A，空氣不再與任何能夠提供熱質(zhì)的物體接觸，但活塞仍繼續(xù)移動(dòng)，從位置ef達(dá)到位置gh，空氣未獲任何熱質(zhì)而稀釋，它的溫度下降了。假設(shè)下

6、降到和物體B的溫度相等，這時(shí)活塞停止運(yùn)動(dòng)，占有位置gh。4.將空氣與物體B接觸，活塞壓縮空氣由位置gh回復(fù)到cd。但由于仍與B接觸，空氣保持恒溫，并將熱質(zhì)交給物體B。,5.移開(kāi)物體B，繼續(xù)壓縮空氣。由于空氣這時(shí)已被隔絕，溫度上升。壓縮一直繼續(xù)到空氣達(dá)到A的溫度?；钊诖似陂g從位置cd到了位置ik。6.空氣再與 A接觸，活塞從位置ik回到位置 ef，溫度保持不變。7.再重新進(jìn)行（3）中的步驟，以后相繼經(jīng)4、5、6、3、4、5、6、3

7、、4、5……。,卡諾選取的理想循環(huán)是由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成的；等溫膨脹時(shí)吸熱，等溫壓縮時(shí)放熱，空氣經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)，可以對(duì)外作功。,1-2,3-4過(guò)程為等溫過(guò)程2-3,4-1過(guò)程為絕熱過(guò)程,卡諾由這個(gè)循環(huán)出發(fā)，提出了一個(gè)普遍的命題：“熱的動(dòng)力與用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的工作物質(zhì)無(wú)關(guān)；動(dòng)力的量唯一地取決于熱質(zhì)在其間轉(zhuǎn)移的兩物體的溫度?！?卡諾根據(jù)熱質(zhì)守恒的假設(shè)和永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，經(jīng)過(guò)邏輯推理，證明他的理想循環(huán)獲得了最高的效率。并提出

8、了卡諾定理。這一定理用現(xiàn)代詞匯來(lái)講就是：熱機(jī)必須工作在兩個(gè)熱源之間，熱機(jī)的效率僅僅決定于兩個(gè)熱源的溫度差，而與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，在兩個(gè)固定熱源之間工作的所有熱機(jī)，以可逆機(jī)效率最高。,缺陷與不足,由于卡諾信奉熱質(zhì)說(shuō)，他的結(jié)論包含有不正確的成份。例如：他將蒸汽機(jī)比擬為水輪機(jī)，熱質(zhì)比擬為流水，熱質(zhì)從高溫流向低溫，總量不變。他寫道：“我們可以足夠確切地把熱的動(dòng)力比之于瀑布。瀑布的動(dòng)力取決于其高度和液體的量；而熱的動(dòng)力則取決于所用熱質(zhì)的量以及熱質(zhì)的

9、‘下落高度’，即交換熱質(zhì)的兩物體之間的溫度差。①,①轉(zhuǎn)引自：Lindary,ed.Energy:Historical Development of the Concept. Dowden:Hutchinson&Ross,1975.231,卡諾就這樣把熱質(zhì)的轉(zhuǎn)移和機(jī)械功聯(lián)系了起來(lái)。由于他缺乏熱功轉(zhuǎn)化的思想，因此，對(duì)于熱力學(xué)第二定律，“他差不多已經(jīng)探究到問(wèn)題的底蘊(yùn)。阻礙他完全解決這個(gè)問(wèn)題的，并不是事實(shí)材料的不足，而只是一個(gè)先入為主的

10、錯(cuò)誤理論。”（恩格斯：《自然辯證法》）,大師逝去,卡諾在1832年6月先得了猩紅熱和腦膜炎，8月24日又患流行性霍亂去世，年僅36歲。,天妒英才,遺稿,“熱不是別的什么東西，而是動(dòng)力，或者可以說(shuō)，它是改變了形式的運(yùn)動(dòng)，它是（物體中粒子的）一種運(yùn)動(dòng)（的形式）。當(dāng)物體的粒子的動(dòng)力消失時(shí)，必定同時(shí)有熱產(chǎn)生，其量與粒子消失的動(dòng)力精確地成正比。相反地，如果熱損失了，必定有動(dòng)力產(chǎn)生?！?“因此人們可以得出一個(gè)普遍命題：在自然界中存在的動(dòng)力，

11、在量上是不變的。準(zhǔn)確地說(shuō)，它既不會(huì)創(chuàng)生也不會(huì)消失；實(shí)際上，它只改變了它的形式?！?遺憾,卡諾未作推導(dǎo)而基本上正確地給出了熱功當(dāng)量的數(shù)值：370kg·m/kCal。遺憾的是，他的弟弟雖看過(guò)他的遺稿，卻不理解這一原理的意義，直到1878年，才公開(kāi)發(fā)表了這部遺稿。這時(shí)，熱力學(xué)第一定律早已建立了。,評(píng)價(jià),卡諾的理論是“一門具有可靠的基礎(chǔ)、清楚的概念和明確的邊界的科學(xué)”?！溈怂鬼f卡諾“撇開(kāi)了這些對(duì)主要過(guò)程無(wú)關(guān)重要的次要情況而設(shè)