卡諾循環效率

卡諾循環(Carnot cycle)是只有兩個熱源（一個高溫熱源溫度T1和一個低溫熱源溫度T2）的簡單循環。由於工作物質只能與兩個熱源交換熱量，所以可逆的卡諾循環由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。

卡諾循環是由法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾於1824年提出的，以分析熱機的工作過程，卡諾循環包括四個步驟：等溫吸熱，絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮。即理想氣體從狀態1等溫吸熱到狀態2 ，再從狀態2絕熱膨脹到狀態3 ，此後，從狀態3等溫放熱到狀態4 ，最後從狀態4絕熱壓縮回到狀態1。這種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構成的循環稱為卡諾循環。

熱力學第二定律對所有熱機的熱效率進行了基本的限制。即使是理想的無摩擦發動機也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉換成工作。限制因素是熱量進入發動機的溫度以及發動機排放其廢熱的環境溫度，以絕對量表測量，如開爾文或蘭金量表。從卡諾定理出發，任何發動機在這兩個溫度之間工作：

這個極限值被稱為卡諾循環效率，因為它是稱為卡諾循環的不可實現的、理想的、可逆的發動機循環的效率。沒有將熱量轉換成機械能的裝置，無論其結構如何，都不可以超越這種效率。

卡諾循環的效率只與兩個熱源的熱力學溫度有關，如果高溫熱源的溫度愈高，低溫熱源的溫度愈低，則卡諾循環的效率愈高。所以，卡諾循環的效率必定小於1。

可以證明，以任何工作物質作卡諾循環，其效率都一致；還可以證明，所有實際循環的效率都低於同樣條件下卡諾循環的效率，也就是說，如果高溫熱源和低溫熱源的溫度確定之後卡諾循環的效率是在它們之間工作的一切熱機的最高效率界限。因此，提高熱機的效率，應努力提高高溫熱源的溫度和降低低溫熱源的溫度，低溫熱源通常是周圍環境，降低環境的溫度難度大、成本高，是不足取的辦法。現代熱電廠盡量提高水蒸氣的溫度，使用過熱蒸汽推動汽輪機，正是基於這個道理。

卡諾定理闡明了熱機效率的限制，指出了提高熱機效率的方向（提高Th，降低Tc，減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環盡量接近卡諾循環）。成為熱機研究的理論依據、熱機效率的限制。實際熱力學過程的不可逆性及其間聯繫的研究，導致熱力學第二定律的建立。在卡諾定理基礎上建立的卡諾循環與測溫物質及測溫屬性無關的絕對熱力學溫標，使溫度測量建立在客觀的基礎之上。此外，應用卡諾循環和卡諾定理，還可以研究表面張力、飽和蒸氣壓與溫度的關係及可逆電池的電動勢等。還應強調，卡諾這種撇開具體裝置和具體工作物質的抽象而普遍的理論研究，已經貫穿在整個熱力學的研究之中。