卡諾定理(物理定律)

卡諾定理是熱力學中的一個定理，說明熱機的最大熱效率只和其高溫熱源和低溫熱源的溫度有關。此定理以尼古拉·卡諾為名。

基本介紹

• 中文名：卡諾定理
• 外文名：Carnot's theorem (thermodynamics)
• 表達式：ηk = W/QI
• 提出者：卡諾
• 提出時間：1824年
• 套用學科：熱力學
• 基礎：熱力學第二定律

簡介

卡諾定理是熱力學中的一個定理，說明熱機的最大熱效率只和其高溫熱源和低溫熱源的溫度有關。此定理以尼古拉·卡諾為名。

根據卡諾定理，則

• 所有不可逆的熱機，其熱效率會比使用相同高溫和低溫熱源的卡諾熱機要低。
• 所有可逆的熱機，其熱效率會等於相同高溫和低溫熱源的卡諾熱機。

依卡諾定理可得到一熱機的最大熱效率（也稱作卡諾效率）為

其中T_C為低溫熱源的絕對溫度，T_H為高溫熱源的絕對溫度。上式的熱效率是指熱機產生的功和高溫熱源提供能量的比值。上述定律其實是熱力學第二定律的結果。不過當初在推導此定律時是以熱質說為基礎，且以此定律為基礎建立熱力學第二定律。

熱力學

熱力學，全稱熱動力學（法語：thermodynamique，德語：Thermodynamik，英語：thermodynamics，源於古希臘語θερμός及δύναμις）是研究熱現象中物態轉變和能量轉換規律的學科；它著重研究物質的平衡狀態以及與準平衡態的物理、化學過程。熱力學定義許多巨觀的物理量（像溫度、內能、熵、壓強等），描述各物理量之間的關係。熱力學描述數量非常多的微觀粒子的平均行為，其定律可以用統計力學推導而得。

熱力學可以總結為四條定律：

• 熱力學第零定律定義了溫度這一物理量，指出了相互接觸的兩個系統，熱流的方向。
• 熱力學第一定律指出內能這一物理量的存在，並且與系統整體運動的動能和系統與與環境相互作用的勢能是不同的，區分出熱與功的轉換。
• 熱力學第二定律涉及的物理量是溫度和熵。熵是研究不可逆過程引入的物理量，表征系統通過熱力學過程向外界最多可以做多少熱力學功。
• 熱力學第三定律認為，不可能透過有限過程使系統冷卻到絕對零度。

熱力學可以套用在許多科學及工程的領域中，例如：引擎、相變化、化學反應、輸運現象甚至是黑洞。熱力學計算的結果不但對物理的其他領域很重要，對航空工程、航海工程、車輛工程、機械工程、細胞生物學、生物醫學工程、化學、化學工程及材料科學等科學技術領域也很重要，甚至也可以套用在經濟學中。

套用在燃料電池上

有關卡諾定理是否能套用在燃料電池，至今科學家還沒有達成共識。凱斯西儲大學的教授認為“由於燃料電池中的電化學反應不涉及將熱能轉換為機械能，因此不受卡諾定理的限制”。不過K. T. Jacob及Saurabh Jain則認為“傳統的觀點認為燃料電池不受卡諾定理的限制，不過最近幾篇論文都認為熱力學第二定律不但限制熱機的效率，也以同樣方式限制燃料電池的效率”。