【摘 要】卡诺热机是一部理想工作的热机，是不可能实现的。但是，它在理论上具有非常重要的指导意义。它为提高热机效率指明了方向，并给出了任意一个工作在两个确定温度的热源之间热机效率的理论极限。本文就卡诺热机效率开展了研究性教学探讨，进一步让学生理解其重要地位及重要应用。
【关键词】卡诺热机；卡诺循环；卡诺热机效率
一、卡诺热机提出的背景
蒸汽机是最早实现的热机，在发明的初级阶段，其效率非常的低，只有3%~5%。后来，虽然做了改进，但提高幅度仍不大，这就促使人们从理论上研究：如何提高热机效率，提高热机效率的主要方向在哪里，热机效率的提高有无极限？
为此，1824年法国青年工程师卡诺从理论上用理想实验的方法提出了一个理想工作的卡诺热机。
二、卡诺热机及卡诺循环
卡诺认为：正如水车工作必须有水位差，热机实现热功转换必须有温度差，即必须同时存在高、低温两个热源。另外，为了简化，卡诺设想工质只与两个恒温热源交换能量，没有漏气、散热、摩擦等一切能量损耗，且中间每一过程均为准静态过程，这样工质与两个热源接触时一定是无限缓慢地无温差的等温过程。由于限制了工质只与两个恒温热源交换能量，故脱离热源后只能是绝热过程。这样，工质与高温热源接触，从高温热源吸收热量，等温膨胀，与高温热源脱离后，进一步绝热膨胀，同时降温降压，之后又与低温热源接触，等温压缩释放热量，脱离后进一步绝热压缩升温升压，回到初始状态，完成一个循环。
把这种由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程构成的循环，称之为卡诺循环。
三、卡诺热机效率
为了方便计算，假定工质是理想气体，其实该循环效率与工质无关。可以得到：其中η为卡诺热机效率，T1、T2分别是高、低温热源的温度。
四、卡诺热机的意义
卡诺热机要求无漏气、散热、摩擦等任何能量损失，同时要求过程无限缓慢地进行。因此，这是不可能实现的，它是一部理想工作的热机，但它具有非常重要的理论指导意义，具体分析如下：
1.从卡诺热机效率η公式容易得到，此效率只与高、低温热源的温度T1、T2有关，而与工质无关。
2.必须有η1不可能，这意味着对外做的功比吸收的热量还多，这违背了能量守恒定律。η=1，这虽然不违背能量守恒定律，但也不可能。因为，这要求T1=∞或者T2=0，这都是不可能的。
3.卡诺热机要求无漏气、散热、摩擦等任何能量损失，同时要求过程无限缓慢地进行，而实际工作的热机不可能实现，必然存在能量损耗，故任意工作在相同高、低温热源下的热机以卡诺热机效率为最高，这是理论极限。
4.可以通过提高工质从高温热源吸热时的温度T1或降低工质向低温热源散热时的温度T2来提高热机效率η，当然低温热源通常是周围环境，其温度不能认为改变，但可以使工质放热时的温度接近周围环境，这就为提高热机效率指明了方向。
5.当T1=T2时，η=0，即在温度均衡的系统中不可能使热量转变为功，或者说借单一热源做功的机器是不可能的，这就是以后要讨论的热力学第二定律。
6.当T1≠T2时，η≠0，即只要有温差就可以用来对外做功，这非常有用，倘若有天然温差就可以制造热机对外做功。
1）如：海水表面吸收太阳辐射，水温约在26.7℃左右，而在300米以下海水温度大约在4℃左右，利用此温差可以对外做功带动发电机从而发电，这就是海水温差发电站。早在1979年，世界上第一台海水温差发电站在美国夏威夷成功地投入运行，由于温差较小，发电功率比较小，主要为岛上居民、车站、码头提供照明用电。
2）再如：在3~4千米深的地下岩石温度达到400℃以上乃至几千摄氏度，这也可以用来发电，这就是热岩发电站。如今，法国的阿尔萨斯已经建成了第一座热岩发电站。
诸如此类，自然界中存在许多天然温差，如果都可以加以应用，相信一定可以缓解能源紧缺问题，并为能源开发提供新的启示。
【参考文献】
[1]赵凯华,罗蔚茵,新概念物理教程: 热学。北京: 高等教育出版社, 1998
[2]卢德馨，大学物理学，北京:高等教育出版社,1998。
[3]谢红灿,海洋能发电,湘电培训与教学·2008年第2期
[4]冉恒谦,冯起赠,我国干热岩勘查的有关技术问题,探矿工程(岩土钻掘工程),2010年第37卷第10期
（作者单位：江苏省扬州大学物理科学
与技术学院）