热力学
卡诺循环
两段等温 + 两段绝热。η = 1 - TC/TH 是只由温度比决定的天花板;底层是 QH/TH = QC/TC
没有热机能做到完美时,剩下的最好是两段等温和两段绝热接成的循环。卡诺把效率写成 (η = 1 - TCTH),同样两个热源之间的真实热机超不过这个值。只由温度决定天花板,这一点是这个循环的芯。
在热的一侧交换热量的段落把温度保持不动,热量不进出的段落则不交换而只搬动温度。四段都要走得很慢,气体才留在平衡附近,带着摩擦和有限温差的真实热机,到不了那一圈缓慢的往返。
效率只由 η = 1 - TCTH 决定,工作气体是什么都一样。用 800 K 蒸汽驱动、把热排到 300 K 环境的电厂,天花板在 60% 附近,冷侧降不到绝对零度,所以到不了 100%。冷侧降不到绝对零度,这件事把天花板固定在下面。
可逆循环里 QCQH = TCTH,也就是 QHTH = QCTC。热按温度比例往来,Q/T 这个商保持不变,这个商在下一章得到熵这个名字。这个商在可逆循环里被保存下来,所以下一章才把它叫作熵。
真实热机只留在天花板之下,若有热机站到上面,就能和一台反向的配对,不花功把热从冷侧搬到热侧,变成打破第2定律的永动机。这种不可能把天花板钉在原处。不花功就把热从冷侧搬到热侧的永动机立不住,这件事把天花板钉在原处。
效率只挂在 TCTH 上,它是谁也越不过的天花板,等式 QHTH = QCTC 是下一章的种子,也就是熵。工程上为了抬高天花板,把 TH 升到材料还能撑住的地方,喷气机和电厂把燃烧温度往上推,原因就在这里。材料还撑得住就把燃烧温度往上推,原因集中在这颗种子上。
实际应用卡诺循环以等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩四个可逆段落,在两个热源之间往返。效率 η = 1 - TCTH 是与工作气体无关、只由绝对温度比决定的天花板,其下 QHTH = QCTC 这条可逆关系,正是 QT 被叫作熵的地方。要提高效率,就升高 TH 或降低 TC。两个热源之间的天花板和底下的等式聚到一处,工程上剩下的把手是升高热侧或降低冷侧。
← 热力学