卡诺定理是卡诺1824年提出来的，其表述如下：

（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关。

（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。

§2.3  卡诺定理

　

        热力学第二定律否定了第二类永动机，效率为1的热机是不可能实现的，那么热机的最高效率可以达到多少呢?从热力学第二定律推出的卡诺定理正是解决了这一问题。卡诺认为：“所有工作于同温热源与同温冷源之间的热机，其效率都不能超过可逆机”  (换言之，即可逆机的效率最大)。这就是卡诺定理。

    设在两个热源之间，有可逆机R(即卡诺机)和任意的热机I在工作(图2.2)。调节两个热机使所作的功相等。可逆机及从高温热源吸热Ql，作功W，放热(Ql-W)到低温热源，其热机效率为 ηk = W/Q1(图中所示是可逆机R倒开的结果)。

     另一任意热机I，从高温热源吸热Q1’，作功W，放热(Q1’-W)到低温热源，其效率为

ηI = W/Q1’

    先假设热机I的效率大于可逆机R(这个假设是否合理，要从根据这个假定所得的结论是否合理来检验)。即

ηI>ηk，

因此得   

Ql > Q1’

   


    今若以热机I带动卡诺可逆机R，使R逆向转动，卡诺机成为致冷机，所需的功W由热机I供给，如图2.2所示：及从低温热源吸热(Ql-W)，并放热Ql到高温热源。整个复合机循环一周后，在两机中工作的物质均恢复原态，最后除热源有热量交换外，无其它变化。

    从低温热源吸热：

(Ql - W) - (Q1’ - W) = Ql-Q1’ > 0

        高温热源得到的热：

Ql-Q1’     

        净的结果是热从低温传到高温而没有发生其它的变化。这违反热力学第二定律的克劳修斯说法。所以最初的假设ηI>ηk不能成立。因此应有

ηI≤ηk       (2.1)

这就证明了卡诺定理。

      根据卡诺定理，可以得到如下的推论：“所有工作于同温热源与同温冷源间的可逆机，其热机效率都相等”。可证明如下：假设两个可逆机Rl和R2，在同温热源与同温冷源间工作。若以Rl带动Rl，使其逆转，则由式(2.1)知

    ηR1≤ηR2       (2.2)

        反之，若以R2带动Rl，使其逆转，则有

    ηR1≥ηR2      (2.3)

因此，若要同时满足式(2.2)和(2.3)，则应有

  ηR1=ηR2     (2.4)

      由此得知，不论参与卡诺循环的工作物质是什么，只要是可逆机，在两个温度相同的低温热源和高温热源之间工作时，热机效率都相等，即任意热机I是可逆机时，式(2.1)用等号，I是不可逆机时用不等号。在上述证明中，并不涉及工作物质的本性，因而与工作物质的本性无关。在明确了ηR与工作物质的本性无关后，我们就可以引用理想气体卡诺循环的结果了。  

      卡诺定理虽然讨论的是可逆机与不可逆机的热机效率问题，但它具有非常重大的意义。它在公式中引入了一个不等号。前已述及所有的不可逆过程是互相关联的。由一个过程的不可逆性可以推断到另一个过程的不可逆性，因而对所有的不可逆过程就可以找到一个共同的判别准则。由于热功交换的不可逆，而在公式中所引入的不等号，这对于其它过程(包括化学过程)同样可以使用。就是这个不等号解决了化学反应的方向问题。同时，卡诺定理在原则上也解决了热机效率的极限值问题。



、卡诺循环的构成

    热力学第二定律指出，热机的热效率不可能达到100％。那么，在一定条件下，热机的热效率最大能达到多少？它又与哪些因素有关？法国工程师卡诺（S. Carnot）在深入考察了蒸汽机工作的基础上，于1824年提出了一种理想的热机工作循环—卡诺循环。

    设一热机中有一定量的工质，工作在温度分别为T1和T2的两恒温热源间。卡诺循环由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程（定熵）组成（见动画4-8）。


动画 4-8 卡诺循环

　

    四个过程的顺序如下：

    定温膨胀过程a-b：工质在定温T1下，从高温热源吸热Q1并作膨胀功Wo。
    定熵膨胀过程b-c：工质在可逆绝热条件下膨胀，温度由T1降到T2。
    定温压缩过程c-d：工质在定温T1下被压缩，过程中将热量Q2传给低温热源。
    定熵压缩过程d-a；工质在可逆绝热条件下被压缩，温度由T2升高至T1，过程终了时，工质的状态回复到循环开始的状态a。

三、逆卡诺循环

    如果沿卡诺循环相反的方向进行，就形成卡诺制冷循环和卡诺热泵循环（见动画4-9）。


动画 4-8 逆卡诺循环


    对于卡诺制冷循环，工质可逆定温从温度为T2冷库吸热，被可逆绝热压缩后，可逆定温向温度为T1环境介质放热，最后可逆绝热膨胀，进入冷库，完成循环。其制冷系数



    对于卡诺热泵循环，工质可逆定温从低温热源T2，如环境介质吸热，被可逆绝热压缩后，可逆定温向高温热源T1，如建筑物室内放热，最后可逆绝热膨胀，完成循环。其供暖系数或热泵工作性能系数



    应当指出，逆卡诺循环虽然实际上不能实现,但却为提高制冷机和热泵的完善程度指明了方向,仍具有重要的理论意义。

　

四、卡诺定理

    以理想气体为工质的卡诺循环,已导出其热效率。如果是其他工质完成的卡诺循环,或是两恒温热源间工作的其他热机,其热效率又如何呢?卡诺定理指出:
    在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相等,与其工质无关。
    在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热机,其热效率不可能大于可逆循环的热效率.



(a)


(b)

图 4-2 卡诺定理证明用图


    下面用反证法对第一定理进行证明：假设在温度为T1的高温热源与温度为T2的低温热源间工作有两个任意的可逆热机R1和R2，如图4－2(a)所示，其热效率分别为和 。假如，则当两个热机从高温热源吸取的热量都为Q1时，根据热效率的定义可知， ， 。这时可让热机R1按正向循环工作，用输出功中的一部分 带动热机R2逆向循环工作，如图4－2(b)所示。联合运行的结果是每一循环从低温热源吸收热量，对外作功，高温热源没有任何变化，相当于一台单一热源的第二类永动机。这显然违背了热力学第二定律，因此是不可能的。同样可以证明，也是不可能的。于是只有一种可能性，即。由于上述证明没有限定工质的性质，所以结论对使用任何工质的可逆热机都适用。定理二可以同样采用反证法证明，思路与定理一的证明相同。