发布时间 : 星期四 文章自然辩证法课程教学案例 - 图文更新完毕开始阅读ae55062e58fb770bf78a5520
没有考虑热的作用。卡诺认为，热也是一种动力。风就是由于大气受热不均匀形成的。雨和雪来自于海洋表面蒸发的水，然后水会有天气变化。他认为火山的爆发归根到底也是一种热（由热引起）的过程。没有热也就不会存在生命。卡诺的书首先阐述了一系列由热驱动的现象，他明确指出对于热的研究是一个全新而独立的领域。
卡诺接受了布莱克的热质理论，热质是一种永远由较热物体流向较冷物体的流体。为了理解卡诺是怎样把这些观点融会到自己的热机理论中去的，我们回忆一下水力涡轮机的工作过程：水总是由高处往低处流。工程师们修筑游水坝来提升上游的水位。然后，他们使用管道来引导水流过涡轮机。流水可以让涡轮机旋转，涡轮机的旋转运动又可以用来做功。当流水推动涡轮机的时候，水流速就会减慢，但不会停止。水经过涡轮机之后，再沿着一个导管流回河里。出水管的水不会少于进水管的水。水做功，但是水的质量是守恒的。
可以把水的运动转化为功的涡轮机具有不同的效率。对于具有相同速度的一定质量的水，某些涡轮机“捕获”水的能量要比其他的涡轮机多。为了测量一台涡轮机的工作效率，我们可以设想在涡轮机出口侧安装一台导流器，以便把所有流过涡轮机的水都引入一个水池。现在假设用这台涡轮机来驱动一台抽水泵。我们可以使用抽水泵把水池的水抽到上游，因此水可以再次流过那台涡轮机。如果我们能利用这个系统把流过涡轮机的所有水抽回到上游，那么我们将能制造一台永动机：（1）水驱动涡轮机；（2）涡轮机驱动抽水泵；（3）抽水泵使水再循环。从表面上看，这样的一个系统不用补充能量就可以永远工作下去。实际上这不可能实现。不过我们可以描述趋近这种情形的涡轮机效率。
卡诺形象地把热质看作我们刚刚描述的水流。他认为蒸汽机的工作方式与刚才描述的水力涡轮机的工作方式大致相同。蒸汽机锅炉的高温相当于水坝的上游，外界环境的低温相当于水坝的下游。正像水往下游流动一样，卡诺想象热质可以由较热的热库流到较冷的热库（热库，或仅仅说成库，后来成为热力学中标准词汇的一部分）。当热量由高温热库传递到低落曙热库的时候，蒸汽机可以把一部分流动热质的能量转化成有用功一样，蒸汽机也不能完全把热质运动的能量转化为功。一部分热质会直接通过蒸汽机进入低温热库。那么，当热质由高温库传递增到低温库的时候竟可以做多少功呢？
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为了回答这个问题，卡诺设想了一种特殊类型的热机，也就是今天所说的卡诺热机。实际上，建造一台卡诺热机是不可能的，虽然在实验室里建造的一些热机的性能几乎和卡诺热机的性能一样，但是卡诺热机仅仅是工程师和科学家们想象的事物。然而它非常有用。在理解热能方面，卡诺热机是一个极其重要的概念。
为了理解卡诺热机的作用，我们先来了解一些关于它理论特性的知识。卡诺热机工作于高温库和低温库之间。它通常是一个由单个活塞隔离的汽缸构成。汽缸中的气体经过一系列严密控制的步骤吸收或放出热量。活塞在每个步骤要么升起要么下降。在完成一个周期之后，卡诺热机会对外做一些功，做功的多少取决于两个热库之间的温差和热机的体积，而汽缸内部工作物质的温度和体积都会完全恢复到原来的状态。复原是热机的一个重要特征。卡诺热机是一种循环式的热机。它会周而复始地重复同样的步骤，得到同样的结果。
卡诺在数学上证明了他的理想热机存在许多显著的特性。第一，卡诺设想的热机工作效率非常高。热机的工作效率定义为做功和吸收总热量（热质）的比值。吸收热量转化为功的百分比越高，发动机的工作效率就越高。卡诺热机在所有（循环式的）热机中工作效率是最高的。如果可以建造一台卡诺热机，那么它不仅比已经存在的任何循环热机的效率都高，而且以后所能建造的循环热机的效率也不会超过它。
第二，卡诺发现卡诺热机的工作效率仅仅取决于高温热库和低温热库之间的温差。换句话说，在同样的两个热库之间进行工作的卡诺热机应当具有相同的工作效率。热机内的工作物质是水蒸汽还是其他的气体无关紧要，只要是在两个相同的热库之间工作，所有卡诺热机的工作效果都一样。因为在同样的两个热库之间进行工作的所有热机具有相同的工作效率，而设计再巧妙的热机工作效率也比卡诺热机低，所以卡诺热机成为衡量所有热机效率的一种标准。
卡诺对于热机的研究非常引人注目，它们揭示了所有热机都要严格遵守的、永远无法超越的极限。回顾一下卡诺所取得的成就我们就会发现，他的工作基于布莱克的热质理论是完全错误的。但是卡诺的结论经住了时间的考验。
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卡诺的著作广为流传，但是他没有发表任何其他的东西。这并不是说他停止了对热机的研究。他后来未发表的手稿得以保存，从这些手稿中明显可以看出他一直致力于解决相关的问题。卡诺完成他的著作以后不久，他得到了一个令人困惑的发现：热质理论是错误的。卡诺的书是基于热质理论的，而他后来推得热质理论是错误的。取而代之，卡诺开始把热看作“动力”，也就是说，热（热质）可以转化为动力，动力也可以转化为热。这种相互转化是严格精确的：损失的热
能等于获得的动力，反之亦然。这是对自然界深入的洞察，卡诺把它当作一个公理，一个自然法则。通过这些观察，卡诺实质上发现了后来所谓的热力学第一定律，这是世界上最重要的自然法则之一。
卡诺关于热功关系的后期观点未能广泛流传。他没有马上发表它们。延误的原因或许是因为他在思考，否定热质理论对他以前出版著作的结论会带
来什么影响。无论说什么，他得永远地推迟下去了年轻的卡诺于36岁死于霍乱。
卡诺热机的效率。
如左图所示，在给定的一个高温热库和一个低温热库之间工作的热机中，卡诺热机是最有效率的。换句话说，一时确定了两个热库的温度，没有一台工作在两个热库之间的循环式热机可以比卡诺热机把更多的热能转化为功。效率是一个很重要的概念，因为获得热能通常需要耗费资金。不论我们是从燃烧化石燃料来获得热能，还是从原子的分裂获得热能——发电厂中几乎所有的热量都来自这两种方式——我们必须支付产生单位热量的费用。令人遗憾的是大部分的热量都不能转化为有用功而都被浪费掉了。不论我们使用的是什么热机，那部分“浪费”的热能都会直接通过它们流失到外界环境。虽然使用效率比较高的热机可以把其中一部分热能转化为有用功，然而无法避免的是总会浪费一些能量。卡诺热机告诉我们，一台精心设计和维护的热机可以把多少能量转化为有用功，多少热能不能转化为有用功。因此卡诺热机非常重要。
工作效率与热库的温度有关，其代数公式很简单。用字母E表示热机的效率。效率为100%的意思是所有的热量都转化为了功（100%的工作效率是不可能的）。工作效率为0%的意
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思就是没有热量转化为功。要使用这个公式，两个热库之间的温度必须用开氏温度来表示，这种温标通常用于自然科学（273.16K[开]即为0℃,增加1℃相当于增加1K）。字母Th和Tl分别表示高温、低温两个热库的开氏温度。那么，卡诺热机的效率公式就是E=（1-Tl/Th）×100。可以看出，Th和Tl相差越大，Tl/Th的比值就越小，那么卡诺发动机的工作效率变越高。也可以看出，Tl/Th的比值永远不会为零，所以发动机的工作效率也就不会为100%。
从这个公式也可以看出，工作于两个等温热库之间的热机根本没有什么作用。例如，现实中用以发电的热机可以在热带海洋的表层水和较冷的海底水之间工作。这称为海洋热能转换（OTEC）技术。在1979年，一个实验电站在夏威夷试运行；1982年，海洋热能转换电站在岛国瑙鲁试运行；1993年到1998年间，设计不同的一个实验电站在夏威夷试运行。在这些区域，上层海水的温度保持在300K（80°F或27℃），而接近海底的水温大约在277K（39°F或4℃）。在这两个热库之间工作的卡诺热机的效率将达到8%，也就是说，如果从海洋上层吸收100仇热量，它就能把8%的热量转化为功，而且不可能有更高效率的热机。但是，实际的大规模电厂可能的工作效率大约为4%。为了在这样低的工作效率下获得大量有用功，它们的工作规模不得不非常巨大。
这个简单的卡诺热机效率公式也说明了热机工作于高温的引人之处。工程师们通常对低温库无能为力。因为低温热库通常都是外界环境，对于外界环境的温度是不能人为改变的。为了获得更高效率的热机，即在同等的热能中浪费较少的热能并产生更多的功，唯一的选择就是升高高温热库的温度。
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