卡诺定理的疑问

uesoft

1824年6月12日卡诺完成并发表了《关于火的动力》一书，在这部著作中提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺原理”（现在称为“卡诺定理”）。
1834年在卡诺去世两年后，《关于火的动力》才获得了第一个认真的读者----克拉珀龙（Emile Claperon）。他是巴黎理工学院的毕业生，只比卡诺低几个年级。1834年，他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文，用P－V曲线翻译了卡诺循环，但未引起学术界的注意。10年后，英国青年物理学家开耳芬在法国学习时，偶尔读到克拉派隆的文章，才知道有卡诺的热机理论。然而，他找遍了各图书馆和书店，都无法找到卡诺的1824年论著。实际上，他在1848年发表的《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》一文，主要根据克拉珀龙介绍的卡诺理论来写的。1849年，开耳芬终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。十余年后，德国物理学家克劳修斯（R．Clausius）也遇到了同样的困难，他一直没弄到卡诺原著，只是通过克拉珀龙和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。
　　这些事实表明，在1824年至1878年间，卡诺的热机理论一直没有得到广泛传播。卡诺生前的好友罗贝林（Robelin）在法国《百科评论》杂志上曾经这样写道：卡诺孤独地生活、凄凉地死去，他的著作无人阅读，无人承认。
　　现在很难说清学术界是什么时候开始公认卡诺热机理论的，因为在他去世后，没有任何学术团体或学校授予卡诺任何称号。可以这样说，卡诺的学术地位是随着热功当量的发现，热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示出来的过程慢慢地形成的；卡诺的理论除了对克拉珀龙、开尔文和克劳修斯等少数几位物理学家产生过影响外，它在整个物理学界未曾引起过反响。直到1878年他的《关于火的动力》第二版和他生前遗稿发表后，物理学界才普遍知道了卡诺和他的理论。不过，那时热力学已经有了迅速发展，他的著作就成了历史遗物，除少数科学史家和教科书编纂者偶尔翻翻外，没有更多人去认真读它。
　　卡诺的理论不仅是热机的理论，它还涉及到热量和功的转化问题，因此也就涉及到热功当量、热力学第一定律及能量守恒与转化的问题。可以设想，如果卡诺的理论在1824年就开始得到公认或推广的话，这些定律的发现可能会提前许多年。这种估计不算过分，根据前面的分析，卡诺至迟在1824－1826年间就计算过热功当量，这比焦耳的工作要早17~19年。虽然他的计算不够精确，但他的理论见解是正确的。我们有理由相信，在他那些被烧毁的手稿中可能还有关于热功当量的更精确的计算。

评论：
卡诺定理为人们提高热机效率指明了方向。卡诺定理表明，提高高温热源温度，降低低温热源温度，有助于提高效率。因此，
现代的燃气轮机和蒸汽轮机都尽量提高燃烧热源温度而降低低温热源温度，来提高热机效率。但是，高温使得材料的疲劳寿命大大降低，设备可靠性受到威胁。
因此，不断有人怀疑卡诺定理的正确性，而且也举出了一些例子：

违反卡诺定理的例子：
1，汽轮机高压缸温降比低压缸大，但低压缸效率更高。
2，燃料电池温升不大，但循环效率很高。
3，效率实际上与压力比有关，压力比在计算中具有更广泛的循环适应性，只有在气体中，压比与温度比才联系起来。比如水轮机效率。


对卡诺定理的怀疑：
1，现代热力学:基于扩展卡诺定理 [精装]
http://www.amazon.cn/%E7%8E%B0%E ... cription/B003GXFVP2
2，逻辑形式能够证明卡诺定理及热力学第二定律不成立
http://www.51xuewen.com/ask/q_8276.htm

新的应用：
如果卡诺定理并不成立，那么
1，不需要高的燃烧温度，可以采用一般的材料作为燃机叶片。实际上，低温燃烧可能具有更高的效率，因为它降低了过程的不可逆，减少了熵增，这也是燃料电池不燃烧反而效率更高的原因之一。这个原理，对轮机也适用。当然，这会增大机器尺寸，减小功率输出。
2，普通的燃烧温度，有助于降低氧化氮NOx排放，减少污染。

通流

故事挺不错的。热力学里面似乎这样的故事比较多。
吉布斯的贡献也是靠Keenan的热力学教材才让大家知道。

不过这几个怀疑卡诺定理的例子水平也有点低了吧。对于大学生来说，可以当做概念题，来看看这些怀疑为什么不能推翻热力学第二定律。

通流

附件里是有人写的所谓用逻辑推翻第二定律的文章。有兴趣的人可以那它来消磨时间，或者当作业，让学生找找文章中有哪些假设，那些可能不合理。为什么这个推理不能否定热力学第二定律。

[ 本帖最后由 通流 于 2011-3-3 07:56 编辑 ]

uesoft

原帖由 uesoft 于 2011-3-2 22:32 发表
违反卡诺定理的例子：
1，汽轮机高压缸温降比低压缸大，但低压缸效率更高。
2，燃料电池温升不大，但循环效率很高。
3，效率实际上与压力比有关，压力比在计算中具有更广泛的循环适应性，只有在气体中，压比与温度比才联系起来。比如水轮机效率。

呵呵，我可以指出例子1不违反卡诺定理http://baike.baidu.com/view/111772.htm：
卡诺循环的效率ηc＝(T1-Ｔ2)/Ｔ1，由于高压缸温降(T1-T2)不超过低压缸温降的2倍，而高压缸热源温度T1(800K)一般是低压缸热源温度T1(400K)的2倍以上，故高压缸效率小于低压缸效率。
其它的例子留给大学生继续做。

由于卡诺循环只关注热功转换过程效率，而总能量效率是由整个过程包括化学能、机械能、电能等所有转换过程的效率确定的，因而现代的能源开发应关注整体转换效率，比如寻找那些化学能直接转换机械能或电能而几乎没有热放出的能量过程，这将为高效率的机械开发开辟道路。

[ 本帖最后由 uesoft 于 2011-3-3 09:03 编辑 ]

通流

好像没有人有异议。

我想，这里首先是定义问题。按标准的透平效率定义。如果过程是可逆的，那么效率就是100%。所以，温度的影响，不应该在里面。从LZ的解释，这个效率定义好像是不同的。但是不管用什么定义，（1）的说法都不是正确的。也就是“低压缸的效率就一定比高压缸效率高”的说法不一定总是对的。

uesoft

恩，不错，这才像个北航的老师在讲话。
我算的是卡诺循环效率，你讲的是汽轮机相对内效率，绝对内效率=相对内效率x卡诺循环效率。不知道为什么  高压缸相对内效率一般小于低压缸效率?我是有点疑问。