卡諾循環

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卡諾循環('Carnot cycle)是一個特別的熱力學循環,使用在一個假想的卡諾熱機上,由法國尼古拉·卡諾於1824年提出,埃米爾·克拉佩龍於1830年代至1840年代擴充,是為了找出熱機的最大的工作效率而分析熱機的工作過程。

圖一:卡諾循環的溫度-熵作圖。
圖二:卡諾循環的壓力-體積作圖。
卡諾循環的溫度-體積變化

卡諾循環全由可逆過程組成,其中包括:

  • 圖一A→B、圖二1→2,可逆等溫膨脹:此等溫的過程中系統從高溫熱庫吸收了熱量且全部拿去作功。
  • 圖一B→C、圖二2→3,等熵(可逆絕熱)膨脹:移開熱庫,系統對環境做功,其能量來自於本身的內能。
  • 圖一C→D、圖二3→4,可逆等溫壓縮:此等溫的過程中系統向低溫熱庫放出了熱量。同時環境對系統做正功。
  • 圖一D→A、圖二4→1,等(可逆絕熱)壓縮:移開低溫熱庫,此絕熱的過程系統對環境作負功,系統在此過程後回到原來的狀態。

卡諾熱機的熱效率只取決於第一個狀態的溫度T1與第二個狀態的溫度T2,以及從環境中吸收的熱量Q1和放出的熱量Q2

其熱效率η=\frac{|Q_1-Q_2|}{|Q_1|}=1-\frac{|Q_2|}{|Q_1|}=\frac{T_1-T_2}{T_1}=1-\frac{T_2}{T_1}

其熱效率恆小於1,只和高溫和低溫的熱源有關,兩者溫差越大,效率越高。

因存在於現實中的熱機都是以不可逆循環來工作,現實中相同狀態下沒有任何熱機的效率可以達到以皆由可逆過程組成的可逆循環來工作的卡諾熱機的效率。

1824年繪製的卡諾機示意圖