卡诺定理 (热力学)

卡诺定理热力学中的一个定理,说明热机的最大热效率只和其高温热源和低温热源的温度有关。此定理以尼古拉·卡诺为名。

根据卡诺定理,则

  • 所有不可逆的热机,其热效率会比使用相同高温和低温热源的卡诺热机要低。
  • 所有可逆的热机,其热效率会等于相同高温和低温热源的卡诺热机。

依卡诺定理可得到一热机的最大热效率(也称作卡诺效率)为

其中

上式的热效率是指热机产生的功和高温热源提供能量的比值。

上述定律其实是热力学第二定律的结果。不过当初在推导此定律时是以热质说为基础,且以此定律为基础建立热力学第二定律[1]

证明

 
证明卡诺定理

此定理可用以下的方式,针对不可逆热机及可逆热机的情形进行证明[2]

不可逆热机

假设一不可逆热机,其热源为  ,其热效率为 ,此热机和一个效率为 的逆卡诺热机,依右图的方式组合成一个热力学循环,不可逆热机产生的功为逆卡诺热机的工作来源。

 ,则此热力学循环对系统没有任何影响,与不可逆性矛盾,因此不成立。

 ,则此热力学循环可由低温热源 取出

 

的能量,将此能量释放到高温热源 ,且不引起其他变化,违反热力学第二定律,也无法成立。

因此结论为 ,不可逆热机的效率 较卡诺热机的效率 低。

可逆热机

对于可逆热机的例子,可依类似的方式得到 的结果。

若用待测的可逆热机当成逆热机,和一般的卡诺热机形成一个热力学循环,也可得到 的结果。

由于上述二式需同时成立,可得以下的式子

 

应用在燃料电池上

有关卡诺定理是否能应用在燃料电池,至今科学家还没有达成共识。凯斯西储大学的教授认为“由于燃料电池中的电化学反应不涉及将热能转换为机械能,因此不受卡诺定理的限制”[3]。不过K. T. Jacob及Saurabh Jain则认为“传统的观点认为燃料电池不受卡诺定理的限制,不过最近几篇论文都认为热力学第二定律不但限制热机的效率,也以同样方式限制燃料电池的效率”[4]

参考资料

  1. ^ John Murrell. A Very Brief History of Thermodynamics (PDF). [October 5, 2010]. (原始内容 (PDF)存档于2009-11-22). 
  2. ^ Lecture 10: Carnot theorem (PDF). Feb 7, 2005 [October 5, 2010]. (原始内容存档 (PDF)于2014-09-12). 
  3. ^ Fuel Cell versus Carnot Efficiency. [Feb 20, 2011]. (原始内容存档于2019-05-05). 
  4. ^ Fuel cell efficiency redefined : Carnot limit reassessed. [Feb 20, 2011]. (原始内容存档于2014-07-16).