卡諾與熱機理論

1、卡諾與熱機理論,夜戰(zhàn)10016,背景,熱力學第二定律的發(fā)展與提高熱機效率的研究有密切關系。蒸汽機雖然在18世紀就已發(fā)明，但它從初創(chuàng)到廣泛應用，經歷了漫長的年月。1765年和1782年，瓦特兩次改進蒸汽機的設計，使蒸汽機的應用得到了很大發(fā)展，但是效率仍不高。如何進一步提高機器的效率就成了當時工程師和科學家共同關心的問題。,拉札爾·卡諾,拉札爾·卡諾（Lazre Nicolas Carnot,1753-1823）率

2、先研究了這類問題，在他的著作中討論了各種機械的效率，隱晦地提出這樣一個觀念：設計低劣的機器往往有“丟失”或“浪費”。當時，在水力學中有一條卡諾原理，就是拉札爾·卡諾提出的，說的是效率最大的條件是傳送動力時不出現(xiàn)振動和湍流，這實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《關于火的動力及適于發(fā)展這一動力的機器的思考》，提出了在熱機理論中有重要地位的卡諾定理，這個定理后來成了熱

3、力學第二定律的先導。他寫道①： “為了以最普遍的形式來考慮熱產生運動的原理，就必須撇開任何的機構或任何特殊的工作物質來進行考慮，就必須不僅建立蒸汽機原理，而且要建立所有假想的熱機的原理，不論在這種熱機里用的是什么工作物質，也不論以什么方法來運轉它們?！?卡諾取最普遍的形式進行研究的方法，充分體現(xiàn)了熱力學的精髓。他撇開一切次要因素，徑直選取一個理想循環(huán)，由此建立熱量和其轉移過程中所作功之間的理論聯(lián)系。,①轉

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：“設想兩個物體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，其作用就象是兩個無限大的熱質之庫。我們稱A為熱源，稱B為冷凝器?！比鐖D2-24,然后他設想有一種彈性流體，例如大氣，封閉在裝有活動隔板

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，假設此壁是熱質的良導體。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程中溫度保持恒定，物體A提供了保持恒溫所需的熱質。,3.移開物體A，空氣不再與任何能夠提供熱質的物體接觸，但活塞仍繼續(xù)移動，從位置ef達到位置gh，空氣未獲任何熱質而稀釋，它的溫度下降了。假設下

6、降到和物體B的溫度相等，這時活塞停止運動，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回復到cd。但由于仍與B接觸，空氣保持恒溫，并將熱質交給物體B。,5.移開物體B，繼續(xù)壓縮空氣。由于空氣這時已被隔絕，溫度上升。壓縮一直繼續(xù)到空氣達到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.再重新進行（3）中的步驟，以后相繼經4、5、6、3、4、5、6、3

7、、4、5……。,卡諾選取的理想循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的；等溫膨脹時吸熱，等溫壓縮時放熱，空氣經過一個循環(huán)，可以對外作功。,1-2,3-4過程為等溫過程2-3,4-1過程為絕熱過程,卡諾由這個循環(huán)出發(fā)，提出了一個普遍的命題：“熱的動力與用于實現(xiàn)動力的工作物質無關；動力的量唯一地取決于熱質在其間轉移的兩物體的溫度?！?卡諾根據熱質守恒的假設和永動機不可能實現(xiàn)的經驗總結，經過邏輯推理，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)代詞匯來講就是：熱機必須工作在兩個熱源之間，熱機的效率僅僅決定于兩個熱源的溫度差，而與工作物質無關，在兩個固定熱源之間工作的所有熱機，以可逆機效率最高。,缺陷與不足,由于卡諾信奉熱質說，他的結論包含有不正確的成份。例如：他將蒸汽機比擬為水輪機，熱質比擬為流水，熱質從高溫流向低溫，總量不變。他寫道：“我們可以足夠確切地把熱的動力比之于瀑布。瀑布的動力取決于其高度和液體的量；而熱的動力則取決于所用熱質的量以及熱質的

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

10、錯誤理論?！保ǘ鞲袼梗骸蹲匀晦q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，而是動力，或者可以說，它是改變了形式的運動，它是（物體中粒子的）一種運動（的形式）。當物體的粒子的動力消失時，必定同時有熱產生，其量與粒子消失的動力精確地成正比。相反地，如果熱損失了，必定有動力產生?！?“因此人們可以得出一個普遍命題：在自然界中存在的動力，

11、在量上是不變的。準確地說，它既不會創(chuàng)生也不會消失；實際上，它只改變了它的形式?！?遺憾,卡諾未作推導而基本上正確地給出了熱功當量的數值：370kg·m/kCal。遺憾的是，他的弟弟雖看過他的遺稿，卻不理解這一原理的意義，直到1878年，才公開發(fā)表了這部遺稿。這時，熱力學第一定律早已建立了。,評價,卡諾的理論是“一門具有可靠的基礎、清楚的概念和明確的邊界的科學”。——麥克斯韋卡諾“撇開了這些對主要過程無關重要的次要情況而設