熱力學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)與提高熱機效率的研究有密切關(guān)系。蒸汽機雖然在18世紀就已發(fā)明，但它從初創(chuàng)到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了漫長的年月，1765年和1782年，瓦特兩次改進蒸汽機的設(shè)計，使蒸汽機的應(yīng)用得到了很大發(fā)展，但是效率仍不高。如何進一步提高機器的效率就成了當(dāng)時工程師和科學(xué)家共同關(guān)心的問題。

背景

法國數(shù)學(xué)家和工程學(xué)家薩迪·卡諾的父親拉札爾·卡諾（Lazre Nico－las Carnot，1753—1823）率先研究了這類問題，在他的著作中討論了各種機械的效率，隱諱地提出這樣一個觀念：設(shè)計低劣的機器往往有“丟失”或“浪費”。當(dāng)時，在水力學(xué)中有一條卡諾原理，就是拉札爾·卡諾提出的，說的是效率最大的條件是傳送動力時不出現(xiàn)振動和湍流，這實際上反映了能量守恒的普遍規(guī)律。他的研究對他的兒子有深刻影響。

1824年薩迪·卡諾發(fā)表了著名論文《關(guān)于火的動力及適于發(fā)展這一動力的機器的思考》，提出了在熱機理論中有重要地位的卡諾定理，這個定理后來成了熱力學(xué)第二定律的先導(dǎo)。他寫道：

“為了以最普遍的形式來考慮熱產(chǎn)生運動的原理，就必須撇開任何的機構(gòu)或任何特殊的工作物質(zhì)來進行考慮，就必須不僅建立蒸汽機原理，而且要建立所有假想的熱機的原理，不論在這種熱機里用的是什么工作物質(zhì)，也不論以什么方法來運轉(zhuǎn)它們?！笨ㄖZ取最普遍的形式進行研究的方法，充分體現(xiàn)了熱力學(xué)的精髓。他撇開一切次要因素，徑直選取一個理想循環(huán)，由此建立熱量和其轉(zhuǎn)移過程中所作功之間的理論聯(lián)系。

他首先作了如下假設(shè)：“設(shè)想兩個物體A與B，各保持于恒溫，A的溫度高于B；兩者不論取出熱或獲得熱，均不引起溫度變化，其作用就象是兩個無限大的熱質(zhì)之庫。我們稱A為熱源，稱B為冷凝器。”

定義

轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃扛剂先紵龝r放出的熱量的比叫做熱機的效率，也叫熱機的有效效率。通常用百分數(shù)來表示。

說明

①凡是能夠利用燃料燃燒時放出的能來做機械功的機器就叫做熱機。

②熱機在工作過程中，發(fā)熱器 - 高溫?zé)嵩蠢锏娜剂先紵龝r放出的熱量并沒有全部被工作物質(zhì) - 工質(zhì)所吸收，而工質(zhì)從發(fā)熱器所得到的那部分熱量也只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，其余部分隨工質(zhì)排出，傳給冷凝器 - 低溫?zé)嵩?。工質(zhì)所作的機械功中還有一部分因克服機件摩擦而損失。根據(jù)熱機的工作特點，下面對熱機中熱量的利用和損耗情況作一說明。

提高效率

熱機的效率是熱機問世以來科學(xué)家、發(fā)明家和工程師們一直研究的重要問題?，F(xiàn)在的內(nèi)燃機和噴氣機跟最初的蒸汽機相比，效率雖然提高了很多，但從節(jié)約能源的要求來看，熱機的效率還遠遠不能滿意。最好的空氣噴氣發(fā)動機，在比較理想的情況下其效率也只有60%。用的最廣的內(nèi)燃機，其效率最多只達到40%。大部分能量被浪費掉了。

1.保證活塞滑動靈活，并且密封性好。

2.保證噴頭無損，噴霧均勻。

3.連桿轉(zhuǎn)軸等處摩擦小。

4.使用合適的燃料。

5.對于不可避免的熱能損失，可以用來加熱水等其他用途。

公式

是指熱機工作部分中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的熱量和工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量的比。如果用ηt表示，則有ηt=W/Q1= - Q1-Q2/Q1=1-Q2/Q1。

從式中很明顯地看出Q1越大，Q2越小，熱效率越高，這是熱機效率中的主要部分，它表明了熱機中熱量的利用程度。

熱機的機械效率是指推動機軸做功所需的熱量和熱機工作過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的熱量的比，如果用ηm表示，則有ηm=Q3/ - Q1-Q2等。

熱機效率公式應(yīng)為η=Q有/Q放×100%

理想循環(huán)

卡諾選取的理想循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的；等溫膨脹時吸熱，等溫壓縮時放熱，空氣經(jīng)過一個循環(huán)，可以對外作功?？ㄖZ熱機遵循卡諾循環(huán),它是可逆熱機,可逆熱機的效率是高過不可逆熱機的,而任何可逆熱機的效率是不能高過卡諾熱機的。

卡諾由這個循環(huán)出發(fā)，提出了一個普遍的命題：“熱的動力與用于實現(xiàn)動力的工作物質(zhì)無關(guān)；動力的量只取決于熱質(zhì)在其間轉(zhuǎn)移的兩物體的溫度?！?/p>

卡諾根據(jù)熱質(zhì)守恒的假設(shè)和永動機不可能實現(xiàn)的經(jīng)驗總結(jié)，經(jīng)過邏輯推理，證明他的理想循環(huán)獲得了最高的效率。他寫道：“如果有任何一種使用熱的方法，優(yōu)于我們所使用的，即如有可能用任何一種過程，使熱質(zhì)比上述操作順序產(chǎn)生更多的動力，那就有可能使動力的一部分轉(zhuǎn)化于使熱質(zhì)從物體B送回到物體A，即從冷凝器回到熱源，于是就可以使?fàn)顟B(tài)復(fù)原，重新開始第一道操作及其后的步驟，這就不僅造成了永恒運動，甚至還可以無限地創(chuàng)造出動力而不消耗熱質(zhì)或任何其他工作物質(zhì)。這樣的創(chuàng)造與公認的思想，與力學(xué)定律以及與正常的物理學(xué)完全矛盾，因而是不可取的。

所以由此可得結(jié)論：用蒸汽獲得的最大動力也是用任何其他手段得到的最大動力?！?/p>

這就是卡諾定理的最初表述。用現(xiàn)代詞匯來講就是：熱機必須工作在兩個熱源之間，熱機的效率僅僅決定于兩個熱源的溫度差，而與工作物質(zhì)無關(guān)，在兩個固定熱源之間工作的所有熱機，以可逆機效率最高。

不過，由于卡諾信奉熱質(zhì)說，他的結(jié)論包含有不正確的成份。例如：他將蒸汽機比擬為水輪機，熱質(zhì)比擬為流水，熱質(zhì)從高溫流向低溫，總量不變。他寫道：“我們可以足夠確切地把熱的動力比之于瀑布。瀑布的動力取決于其高度和液體的量；而熱的動力則取決于所用熱質(zhì)的量以及熱質(zhì)的‘下落高度’，即交換熱質(zhì)的兩物體之間的溫度差?！?/p>

卡諾就這樣把熱質(zhì)的轉(zhuǎn)移和機械功聯(lián)系了起來。由于他缺乏熱功轉(zhuǎn)化的思想，因此，對于熱力學(xué)第二定律，“他差不多已經(jīng)探究到問題的底蘊。阻礙他完全解決這個問題的，并不是事實材料的不足，而只是一個先入為主的錯誤理論?！保ǘ鞲袼梗骸蹲匀晦q證法》）

卡諾在1832年6月先得了猩紅熱和腦膜炎8月24日又患流行性霍亂去世，年僅36歲。上節(jié)所述的他遺留下的手稿表明他后來也轉(zhuǎn)向了熱的唯動說，并預(yù)言了熱功之間的當(dāng)量關(guān)系和熱的分子運動論。可惜，手稿直至1878年才發(fā)表，因而對熱學(xué)的發(fā)展沒有起到應(yīng)有的作用。

卡諾循環(huán)

卡諾效率（CarnotEfficiency）=1－ - Tc/Th

Tc代表卡諾循環(huán)低溫端（環(huán)境）的絕對溫度值、Th代表熱機高溫端工質(zhì) - 氣體的絕對溫度值；由此計算得知：假如高溫端工質(zhì)絕對溫度Th在1000K（727℃）、低溫端（環(huán)境）絕對溫度Tc在300K（27℃）時，卡諾熱機的最大熱功轉(zhuǎn)換效率是1-Tc/Th=70%?

效率數(shù)值

蒸汽機百分之4~百分之8

蒸汽輪機百分之25~百分之30

燃氣輪機百分之50~百分之60

汽油機百分之26~百分之45

柴油機百分之34~百分之45

噴氣發(fā)動機百分之50~百分之60

?效率數(shù)值

蒸汽機4%~8%

蒸汽輪機25%~30%

燃氣輪機50%~60%

汽油機26%~45%

柴油機34%~45%

噴氣發(fā)動機50%~60%