5.4 卡诺循环与卡诺定理热力学第二定律指出任何实际热机都不可能将吸收的热量全部转化为机械功。那么一个自然的问题是热机的最高效率到底是多少为回答这个问题法国工程师Sadi Carnot萨迪·卡诺提出了一个完全由可逆过程组成的理想热机循环即卡诺循环Carnot Cycle。需要强调的是卡诺循环不是一种实际存在的发动机而是评价所有热机性能的理论标准。5.4.1 卡诺循环的组成卡诺循环是一种完全由可逆过程组成的理想热力循环。循环中的分析对象始终是工质Working Fluid。工质依次经历四个可逆过程最终恢复到初始状态完成一个循环。四个过程分别为等温吸热工质从高温热源吸收热量绝热膨胀工质继续膨胀对外输出机械功不与外界交换热量等温放热工质向低温热源放出热量绝热压缩外界对工质做功使工质恢复到初始状态不与外界交换热量。整个能量传递关系如下高温热源 │ │ 向工质传递热量 QH ▼ ┌────────────────┐ │ 工质 │ │ 卡诺循环 │ └────────────────┘ │ │ │输出功 W │向低温热源放热 QL ▼ ▼ 外界机械 低温热源经过一个完整循环后工质恢复到初始状态因此所有状态参数均恢复原值。特别地根据热力学第一定律可得即这说明工质从高温热源吸收的热量并不会全部转化为机械功其中一部分必须传递给低温热源其余部分才能转化为输出功。5.4.2 为什么必须向低温热源放热从第一定律来看只要满足任何数值组合都可以满足能量守恒。例如同样不会违反第一定律。但是第二定律进一步规定循环工作的热机不可能将吸收的热量全部转化为机械功而不产生其他影响。因此是热机能够连续循环工作的必要条件。换句话说工质在完成对外做功后必须将一部分热量释放给低温热源才能恢复到初始状态并进入下一循环。因此对于任何循环热机工质从高温热源吸热工质向外界输出机械功工质向低温热源放热。三者缺一不可。5.4.3 卡诺循环为什么效率最高卡诺循环的四个过程全部可逆因此整个循环即不存在任何不可逆损失。因此所有吸收的热量都以第二定律允许的最大比例转化为机械功。任何实际热机都会存在摩擦有限温差传热流动损失节流损失这些都会产生熵从而降低热效率。因此任何实际热机的效率都不可能超过卡诺循环。这就是卡诺定理Carnot Theorem。5.4.4 卡诺热效率对于可逆卡诺循环可推导得到其中高温热源温度K低温热源温度K。代入热效率定义可得到著名的卡诺效率需要注意两点1必须使用绝对温度公式中的温度必须采用K开尔文。不能直接代入摄氏温度。2效率只与热源温度有关这是卡诺循环最重要的结论。可以看到公式中没有工质种类压力结构材料。因此理论最高效率只取决于高、低温热源温度。提高理论效率只有两种方法提高高温热源温度降低低温热源温度。这也是燃气轮机不断提高燃烧温度、汽轮机不断降低冷凝温度的根本原因。5.4.5 工程意义卡诺循环几乎不会直接用于工程设计但它具有重要的参考价值。对于任何热机因此卡诺效率代表的是理论上限。工程设计的目标不是超过卡诺效率而是尽可能接近它。例如提高燃烧温度改善换热过程减少摩擦和流动损失提高压缩和膨胀过程的可逆性。这些措施本质上都是为了减少不可逆损失提高循环效率。本节小结卡诺循环是完全由可逆过程组成的理想热机循环。循环热机必须向低温热源放热这是第二定律决定的。卡诺定理指出任何实际热机效率都不可能超过卡诺效率。卡诺效率仅与高、低温热源温度有关是评价热机性能的重要理论基准。