卡诺循环
一．关键字：卡诺热机、物理、化学、卡诺循环、等温压缩、绝热膨胀、状态、压缩、效率、温度、原理、定温。

二．引言
通过将近一学期物理的学习，对物理这一学科有了粗略的认识以及肤浅的理解。

其中，对卡诺循环，卡诺热机这一方面比较感兴趣，并且查阅了相关材料，还有自己对其的理解，写了此篇文章。

物理学与化学，作为自然科学的两个分支，关系十分密切，任何一种化学变化总是伴随着物理变化，物理因素的作用也都会引起化学变化，自然科学中化学和物理历来是亲如兄弟、相辅相成的两个基本学科，它们虽曾有过约定俗成的分工，各司其职，但非各自为战,“化学和物理合在一起，在自然科学中形成了一个轴心”。

就拿卡诺循环来说，卡诺循环在物理学与化学方面都有重要应用。

下面我从三方面介绍卡诺循环。

三．尼古拉·雷奥纳德·卡诺
尼古拉·雷奥纳德·卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823）法国物理学家、军事工程师。

卡诺提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。

1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅36岁。

四．卡诺循环的定义
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称为卡诺循环。

五．卡诺热机的原理
设一热机中有一定量的工质，工作在温度分别为T1和T2的两恒温热源间。

卡诺循环由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程（定熵）组成
四个过程的顺序如下：
定温膨胀过程a-b ：工质在定温T1下，从高温热源吸热Q1并作膨胀功Wo 。

定熵膨胀过程b-c ：工质在可逆绝热条件下膨胀，温度由T1降到T2。

定温压缩过程c-d ：工质在定温T1下被压缩，过程中将热量Q2传给低温热源。

定熵压缩过程d-a ；工质在可逆绝热条件下被压缩，温度由T2升高至T1，过程终了时，工质的状态回复到循环开始的状态a 。

六．制冷原理：逆卡诺循环
它由两个等温过程和两个绝热过程组成。

假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T 0，高温热源（即环境介质）的温度为T k , 则工质的温度在吸热过程中为T 0，在放热过程中为T k ，就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。

其循环过程为：
首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量Q 0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度T k , 再在T k 下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量Q k , 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由T k 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。

对于逆卡诺循环来说，由图可知：
Q 0=T
(S
1
-S
4
）
Q k =T
k
(S
2
-S
3
)=T
k
(S
1
-S
4
）
W 0=Q
k
-Q
=T
k
(S
1
-S
4
)-T
(S
1
-S
4
)=(T
k
-T
)(S
1
-S
4
）
则逆卡诺循环制冷系数ε
k
为：T0/T k-T0
由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即
被冷却物体）的温度T
0和热源（即环境介质）的温度T
k
；降低T
k
，提高T
，
均可提高制冷系数。

此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热
源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。

任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

综上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。

而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。

通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数ε
k
之比，称为该制冷机循
环的热力完善度，用符号η表示。

即：η=ε/ε
k
热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。

它也是制冷循环的一个技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。