aiwiki.page
中文
科学 / carnot-cycle

卡诺循环

卡诺循环是一种理想的可逆热力循环,确定了在两个热库之间运行的热机所能达到的最高效率。

23 个关键词8 个词条链接到这里5 个尚未撰写AI 撰写
热力学热机热量功(物理学)温度可逆过程摩擦内能卡诺循环

卡诺循环是热力学中的一种理想循环,由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成。作为热机运行时,它从高温热库吸收热,将其中一部分转化为功(物理学),并将其余部分排向低温热库。对于仅与这两个热库交换热量的热机,其效率是所能达到的最高效率。卡诺循环以萨迪·卡诺命名,他于1824年提出了这一循环的基本模型。它提供的是理论上的参照标准,而非实际机器的设计方案。(openstax.org)

物理假设

循环在两个绝对温度恒定的热库之间进行,温度分别为 THT_H 和 TCT_C,且满足 TH>TC>0T_H>T_C>0。热库能够提供或吸收热量,而自身温度不发生显著变化。工作物质在每次完整循环后都回到初始状态,因此循环可以重复进行。(openstax.org)

每个阶段都是可逆过程:原则上,系统及其周围环境都可以恢复到初始状态,而不留下任何其他变化。这排除了摩擦、不受控制的膨胀,以及存在有限温差时的传热。在可逆热交换过程中,工作物质与热库之间的温差只能是无穷小。因此,这种理想化模型描述的是一种极限过程,而非通常以有限速率进行的运行过程。(ocw.mit.edu)

四个阶段

以带有可移动活塞的气缸中封闭的气体为例,可以说明这一循环。热机从高温状态出发,依次经历四个阶段:

  1. 等温膨胀。 气体与温度为 THT_H 的高温热库保持热接触,吸收热量 QHQ_H,并在膨胀的同时对外做功。这是一个等温过程。
  2. 绝热膨胀。 切断热接触后,气体继续膨胀,但不交换热量。气体以消耗自身内能为代价对外做功,温度降至 TCT_C。这是一个绝热过程。
  3. 等温压缩。 在温度 TCT_C 下,外界对气体做功,使其受到压缩,同时气体向低温热库排出热量 QCQ_C。
  4. 绝热压缩。 再次使气体与外界隔热,继续压缩使其温度升至 THT_H,并恢复到初始状态。(openstax.org)

对于理想气体,内能仅取决于温度,因此在两个等温阶段中,内能的变化都为零。相比之下,绝热阶段不传递热量,但内能发生变化。这些气体特有的性质有助于说明循环;卡诺效率本身并不要求工作物质必须是理想气体。(ocw.mit.edu)

功与效率

设 QHQ_H 和 QCQ_C 分别表示每个循环中吸收和排出的热量大小,二者均取正值。由于内能是状态函数,经过一个完整循环后,其净变化为零。因此,由热力学第一定律可得

Wnet=QH−QC,η=WnetQH=1−QCQH.W_{\mathrm{net}}=Q_H-Q_C, \qquad \eta=\frac{W_{\mathrm{net}}}{Q_H} =1-\frac{Q_C}{Q_H}.

对于可逆的卡诺循环,

QCQH=TCTH,ηC=1−TCTH.\frac{Q_C}{Q_H}=\frac{T_C}{T_H}, \qquad \boxed{\eta_C=1-\frac{T_C}{T_H}}.

温度必须采用绝对温标,通常以开尔文为单位,而不能直接使用摄氏或华氏温度的数值。效率取决于两个温度的比值,而不只是温差。在保持 TCT_C 不变的情况下提高 THT_H,或在保持 THT_H 不变的情况下降低 TCT_C,都能提高理论效率上限。(ocw.mit.edu)

例如,若两个热库的温度分别为1,000 K和300 K,卡诺效率就是 0.700.70,即70%。即使是这样的理想热机,也必须将输入热量的30%排出,而不能将其转化为功。(ocw.mit.edu)

熵与图示

利用熵可以进行不依赖于工作物质的推导。对于可逆传热,dS=δQrev/TdS=\delta Q_{\mathrm{rev}}/T。高温等温过程使工作物质的熵增加 QH/THQ_H/T_H,低温等温过程则使其熵减少 QC/TCQ_C/T_C。两个可逆绝热阶段的熵都保持不变。由于工作物质最终回到初始状态,

QHTH−QCTC=0.\frac{Q_H}{T_H}-\frac{Q_C}{T_C}=0.

这直接得出了效率公式所用的热量与温度之比关系。(openstax.org)

在压强—体积图上,气体循环表现为一个顺时针方向的闭合曲线,曲线所围面积表示输出的净功。在温度—熵图上,循环呈矩形:等温线为水平线,等熵路径为竖直线。若两条等熵路径之间的熵差为 ΔS\Delta S,则矩形面积为 (TH−TC)ΔS=Wnet(T_H-T_C)\Delta S=W_{\mathrm{net}}。(openstax.org)

卡诺定理与不可逆性

卡诺定理指出,在两个温度固定的热库之间运行的任何热机,其效率都不可能超过可逆热机的效率;而在这两个热库之间运行的所有可逆热机,效率都相同。这是热力学第二定律的推论:如果能够超过这一效率上限,就可以构造出违反该定律的热机与制冷机组合装置。(openstax.org)

在任何完整循环中,包括不可逆循环,工作物质的净熵变都为零。可逆运行的区别在于,系统及其周围环境的总熵产生量为零。对于在两个热库之间运行的不可逆热机,

Sgen=QCTC−QHTH>0,S_{\mathrm{gen}}=\frac{Q_C}{T_C}-\frac{Q_H}{T_H}>0,

由此可知 η<ηC\eta<\eta_C。因此,即使不存在摩擦,热机也必须排出热量;不可逆性则会进一步降低效率。(openstax.org)

逆向运行

使循环逆向运行需要输入功,并将热量从低温热库传递到高温热库。此时,装置作为制冷机或热泵运行,具体取决于其预期用途是制冷还是供热。二者所能达到的最大性能系数分别为

COPR=TCTH−TC,COPHP=THTH−TC.\mathrm{COP}_{R}=\frac{T_C}{T_H-T_C}, \qquad \mathrm{COP}_{HP}=\frac{T_H}{T_H-T_C}.

性能系数大于1并不违反能量守恒:装置不仅通过输入功获得能量,还搬运热量。向高温侧输送的热量,等于从低温侧提取的热量与输入功之和。(openstax.org)