[科普中國]-卡諾定理

卡諾定理是熱力學(xué)中的一個(gè)定理，說明熱機(jī)的最大熱效率只和其高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。此定理以尼古拉·卡諾為名。

簡介卡諾定理是熱力學(xué)中的一個(gè)定理，說明熱機(jī)的最大熱效率只和其高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。此定理以尼古拉·卡諾為名。

根據(jù)卡諾定理，則

所有不可逆的熱機(jī)，其熱效率會比使用相同高溫和低溫?zé)嵩吹目ㄖZ熱機(jī)要低。

所有可逆的熱機(jī)，其熱效率會等于相同高溫和低溫?zé)嵩吹目ㄖZ熱機(jī)。

依卡諾定理可得到一熱機(jī)的最大熱效率（也稱作卡諾效率）為

其中TC為低溫?zé)嵩吹慕^對溫度，TH為高溫?zé)嵩吹慕^對溫度。上式的熱效率是指熱機(jī)產(chǎn)生的功和高溫?zé)嵩刺峁┠芰康谋戎?。上述定律其?shí)是熱力學(xué)第二定律的結(jié)果。不過當(dāng)初在推導(dǎo)此定律時(shí)是以熱質(zhì)說為基礎(chǔ)，且以此定律為基礎(chǔ)建立熱力學(xué)第二定律。1

熱力學(xué)熱力學(xué)，全稱熱動力學(xué)（法語：thermodynamique，德語：Thermodynamik，英語：thermodynamics，源于古希臘語θερμ??及δ?ναμι?）是研究熱現(xiàn)象中物態(tài)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科；它著重研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)以及與準(zhǔn)平衡態(tài)的物理、化學(xué)過程。熱力學(xué)定義許多宏觀的物理量（像溫度、內(nèi)能、熵、壓強(qiáng)等），描述各物理量之間的關(guān)系。熱力學(xué)描述數(shù)量非常多的微觀粒子的平均行為，其定律可以用統(tǒng)計(jì)力學(xué)推導(dǎo)而得。

熱力學(xué)可以總結(jié)為四條定律：

熱力學(xué)第零定律定義了溫度這一物理量，指出了相互接觸的兩個(gè)系統(tǒng)，熱流的方向。

熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能這一物理量的存在，并且與系統(tǒng)整體運(yùn)動的動能和系統(tǒng)與與環(huán)境相互作用的勢能是不同的，區(qū)分出熱與功的轉(zhuǎn)換。

熱力學(xué)第二定律涉及的物理量是溫度和熵。熵是研究不可逆過程引入的物理量，表征系統(tǒng)通過熱力學(xué)過程向外界最多可以做多少熱力學(xué)功。

熱力學(xué)第三定律認(rèn)為，不可能透過有限過程使系統(tǒng)冷卻到絕對零度。

熱力學(xué)可以應(yīng)用在許多科學(xué)及工程的領(lǐng)域中，例如：引擎、相變化、化學(xué)反應(yīng)、輸運(yùn)現(xiàn)象甚至是黑洞。熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果不但對物理的其他領(lǐng)域很重要，對航空工程、航海工程、車輛工程、機(jī)械工程、細(xì)胞生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、化學(xué)、化學(xué)工程及材料科學(xué)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域也很重要，甚至也可以應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)學(xué)中。1

應(yīng)用在燃料電池上有關(guān)卡諾定理是否能應(yīng)用在燃料電池，至今科學(xué)家還沒有達(dá)成共識。凱斯西儲大學(xué)的教授認(rèn)為“由于燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)不涉及將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，因此不受卡諾定理的限制”。不過K. T. Jacob及Saurabh Jain則認(rèn)為“傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為燃料電池不受卡諾定理的限制，不過最近幾篇論文都認(rèn)為熱力學(xué)第二定律不但限制熱機(jī)的效率，也以同樣方式限制燃料電池的效率”。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)