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缺失的卡诺循环 精选

已有 4977 次阅读 2017-2-26 23:07 |个人分类:物理学史|系统分类:科普集锦

博主注:经王国强老师指正,卡诺确实有个闭合的循环。在第五步之后,还有第六步,即让气体与A保持接触,活塞回到cd。这样就闭合了。在下读书不认真犯的错。

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为准备物理学史的课,读了下萨迪-卡诺的原始小册子,Reflections on the motive power of heat。

他的名字来自伊朗著名诗人萨迪。萨迪是跟哈菲兹齐名的伊朗诗人,两位的墓都在设拉子。当年我去伊朗旅游的时候,第一站就是设拉子,而飞机上的伊朗商人首推的就是这两位的墓地。伊朗与法国的关系可能比较紧密。第二次去伊朗的时候,去参观金庸所谓的“山中老人”霍山的堡垒时,遇到过一个法国女人。她申请伊朗签证4次才得到,好不容易才实现来伊朗的愿望。她说在法国有很多伊朗人,在伊朗也有不少人可以讲法语但不会英语。

在这本小册子里,卡诺对提高热机效率有惊人的直觉,但是让人意外的是,卡诺并没有给出一个闭合的“循环”。


卡诺描述的他理想中的热机的工作流程如下:

(1)一团气体封闭在气缸里,活塞位于cd,气体温度与热库A等温。

(2)保持气体与A接触,缓慢上拉活塞到ef位置。

(3)移开A,继续缓慢上拉活塞直到气体温度降到与B相同,这时活塞在gh位置。

(4)让气体与B接触,缓慢下推活塞到cd位置

(5)移开B, 继续缓慢下推活塞直到气体温度升到与A相同,这时活塞在ik位置

注意最后活塞位置没有回到cd!也就是过程没有闭合,不能构成一个循环。

事实上,今天我们知道,要想在第5步活塞回到cd位置时气体温度也回到A的温度,在第4步,活塞不能被推到cd位置。

显然,卡诺的循环是后来人(可能是克拉珀龙)在卡诺工作作修改得到的。

不过,卡诺的直觉让人赞叹。他明确指出,任何从高温物体到低温物体的热传导都是浪费(热质),因而需要尽力避免。基于此洞见,不需要任何其他理论知识,我们就可以理解为什么内燃机比蒸汽机效率高。即便瓦特的蒸汽机,也存在一个严重的热传导过程。煤燃烧的温度好几百度,可是锅炉的水和水蒸气的温度才100度(如果不加压)!内燃机就避免了这个热传导过程,直接用几百度的火焰去驱动机械,效率一下子提高好几倍。

卡诺的小册子发表于1824年。他还是采用热质说,虽然Count Rumford在1798年已经写文章强烈质疑热质说。

卡诺1832年死于霍乱,享年36。与活了至少99岁的伊朗萨迪相比,他死得太早。他在历史上的次序比他在教科书上的次序靠前得多,迈尔、焦耳、克拉珀龙、克劳修斯、开尔文出道都比他晚数十年。



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