熱力學(xué)第二定律的發(fā)現(xiàn)與提高熱機效率的研究密切相關(guān)。 蒸汽機看似是18世紀(jì)發(fā)明的，但從誕生到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了漫長的歲月。 1765年和1782年，瓦特兩次改進了蒸汽機的設(shè)計，極大地發(fā)展了蒸汽機的應(yīng)用。 ，效率還是不高。 如何進一步提高機器的效率成為當(dāng)時工程師和科學(xué)家共同關(guān)心的問題。
[編輯本段]卡諾與熱機效率研究
日本物理學(xué)家兼工程師薩迪卡諾之子 Lazre Nico-las (1753-1823) 率先研究了此類問題，在他的專著中討論了各類機械的效率，尖銳地指出經(jīng)常“丟失”的概念或在設(shè)計不良的機器中“浪費”。 當(dāng)時水力學(xué)中有一個卡諾原理，是由拉扎爾·卡諾提出的。 它說，效率最高的條件是傳遞動力時沒有振動和湍流。 這實際上反映了能量守恒定律的普遍規(guī)律。 . 他的研究深深地影響了他的妻子。 1824年，薩迪·卡諾發(fā)表了一篇著名的論文《考慮火的力量和易于發(fā)展這種力量的機器》熱機的效率定義式，提出了在熱機理論中占有重要地位的卡諾定律。 這條定律后來成為熱力學(xué)第二定律。 定理的先驅(qū)。 他寫道：“為了以最一般的方式考慮熱成形運動的原理，有必要忽略任何機制或任何特殊的工作物質(zhì)，并且有必要構(gòu)建所有假設(shè)，無論在什么工作物質(zhì)中使用這些熱機，無論它們是如何運行的。” 卡諾以最一般的方式進行的研究，充分說明了熱力學(xué)的真諦，他拋開一切次要誘因，直接選擇了一個理想循環(huán)，從而在熱與傳遞過程中所做的功之間建立了理論聯(lián)系。以下假設(shè)：“假設(shè)兩個物體A和B保持恒溫，A的溫度低于B的溫度； 無論是帶走熱量還是獲取熱量，都不會引起體溫的變化，其作用如同兩個物體。 無限的熱量和質(zhì)量倉庫。 我們稱A為熱源，B為冷凝器。”如圖2-4所示。
彈性流體
然后他“設(shè)想了一種彈性流體，例如大氣，它被封閉在一個圓錐形容器 abcd 中，帶有可移動的架子或活塞 cd”。 1. 使 A 與容器 abcd 中的空氣接觸或與容器壁接觸，假設(shè)壁是熱的良導(dǎo)體。 由于這種接觸，空氣獲得與 A 相同的體溫。cd 是活塞的位置。 ” 2.活塞逐級上升，直到到達(dá)ef的位置。空氣與A保持接觸，使空氣在稀釋過程中空氣溫度保持恒定，物體A提供維持所需的熱質(zhì)量恒定的溫度。” 3.移開物體A，空氣不再與任何仍能提供熱質(zhì)的物質(zhì)接觸，但活塞繼續(xù)相通，從位置ef到位置gh，空氣不再被任何熱質(zhì)稀釋，其濕度增加. 假設(shè)空氣溫度增加到等于物體 B 的溫度，活塞停止移動并占據(jù)位置 gh。 ” 4.讓空氣與物體B接觸，活塞將空氣從gh位置壓縮到cd。但由于仍與B接觸，空氣保持恒溫，將熱質(zhì)傳遞給物體B” 5. 移開物體B，繼續(xù)壓縮Air。 因為此時空氣已經(jīng)隔絕，體溫升高。 壓縮仍在繼續(xù)，直到空氣達(dá)到濕度 A。活塞在這段時間內(nèi)從位置 cd 移動到位置 ik。 “6、空氣再次與A接觸，活塞從位置ik回到位置ef，體溫不變。” 7. 重復(fù)(3)的步驟，然后進行4,5,6,3,4,5,6,3,4,5...。 “
卡諾的理想循環(huán)
卡諾選擇的理想循環(huán)由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成； 等溫膨脹時放出熱量，等溫壓縮時吸收熱量，空氣通過一個循環(huán)就可以對外做功。 從這個循環(huán)出發(fā)，卡諾提出了一個一般性命題：“熱的功率與實現(xiàn)功率所用的工作物質(zhì)無關(guān)；功率的大小完全取決于熱質(zhì)量在其間的兩個物體的體溫。轉(zhuǎn)入。” 卡諾基于熱質(zhì)量守恒的假設(shè)和永動機無法實現(xiàn)的經(jīng)驗總結(jié)，經(jīng)過邏輯推理，證明他的理想循環(huán)獲得了最高效率。 他寫道：“如果有任何方法比我們更好地利用熱量，也就是說，如果可以使用任何可以使熱質(zhì)量比上述操作順序更具活力的過程，那么就有可能制造 Part的功率轉(zhuǎn)換使熱質(zhì)從物體B返回到物體A，即從冷凝器返回到熱源，從而恢復(fù)狀態(tài)，可以重新開始第一個操作和后續(xù)步驟，這除了引起永恒運動之外，甚至可以在不消耗熱量或任何其他工作物質(zhì)的情況下無限地創(chuàng)造動力。這樣的創(chuàng)造與普遍接受的思想，熱定理和正常數(shù)學(xué)完全矛盾，所以它不是可取。因此可以推論，蒸汽獲得的最大功率也是其他任何方式獲得的最大功率。” 這是卡諾定律的原始描述，用現(xiàn)代詞匯來說就是：熱機必須在兩個熱源之間工作，熱機的效率只由兩個熱源之間的溫差決定，無關(guān)有了工作物質(zhì)，所有在兩個固定熱源之間工作的熱機都可以是效率最高的可逆機。但是，由于卡諾相信熱量質(zhì)量理論，他的推論包含了不正確的因素。例如：他把蒸汽機比作水輪機，熱質(zhì)量流水，熱質(zhì)量從低溫流向高溫，總數(shù)不變。他寫道：“我們可以足夠準(zhǔn)確地將熱的力量與大瀑布的力量進行比較。 . . ‘落差高度’，即交換熱量和質(zhì)量的兩個物體之間的溫差。”卡諾由此將熱量和質(zhì)量的傳遞與機械功聯(lián)系起來。由于他缺乏熱功轉(zhuǎn)換的思想，因此，關(guān)于熱力學(xué)第二定理，”他幾乎探索了積累問題。 阻礙他徹底解決這個問題的不是缺乏事實材料，而是一種先入為主的錯誤理論。 ”（恩格斯：《自然辯證法》）卡諾于1832年6月首先患上肺炎和顳葉炎，8月24日死于流行性瘧疾，享年36歲。上節(jié)提到的他留下的手稿表明，他也轉(zhuǎn)向了后來提出了熱的動力學(xué)理論，并預(yù)言了熱與功的等效關(guān)系和熱的分子動力學(xué)理論。遺憾的是，原稿直到1878年才發(fā)表，因此沒有在電的發(fā)展中發(fā)揮應(yīng)有的作用。
使熱機效率最大化的是卡諾循環(huán)
卡諾效率()=1－Tc/ThTc表示卡諾熱機高溫端（環(huán)境）的絕對濕度值，Th表示工作流體（二氧化碳）低溫端的絕對濕度值熱機; 當(dāng)絕對濕度Th為1000K（700℃），低溫端（環(huán)境）絕對濕度Tc為300K（30℃）時，卡諾熱機的最大熱能轉(zhuǎn)換效率為1-Tc-Th =70%！ ！ ！
熱機定理
（一）定義或解釋
燃料燃燒時轉(zhuǎn)化為有用功的熱量與放出的熱量之比稱為熱機效率，又稱熱機有效效率。 通常以百分比表示。
(2) 說明
①凡是能借助燃料燃燒放出的能量做機械功的機器，都叫熱機。 ②熱機在工作過程中，加熱器（低溫?zé)嵩矗┲械娜剂先紵龝r放出的熱量并沒有完全被工質(zhì)（工質(zhì)）吸收，工質(zhì)得到的部分熱量來自加熱器的只有一部分轉(zhuǎn)化為機械功，其余隨工質(zhì)排出，傳給冷凝器（高溫?zé)嵩矗?工作介質(zhì)所做的部分機械功由于克服了機械零件的摩擦而損失掉了。 下面根據(jù)熱機的工作特點，對熱力在熱機中的利用和散失進行說明。
燃料燃燒效率
是指工質(zhì)從加熱器獲得的熱量與燃料燃燒時放出的熱量之比。 如果用ηC表示，則燃料燃燒效率可寫為ηC=Q1/Q。
熱機的熱效率
是指熱機工作部分轉(zhuǎn)化為機械功的熱量與工質(zhì)從加熱器獲得的熱量之比。 若用ηt表示，則ηt=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1。 從公式中可以清楚地看出，Q1越大，Q2越小，熱效率越高，它是熱機效率的主要部分熱機的效率定義式，它表示熱機對熱的利用程度。 熱機的機械效率是指熱機工作時推動軸做功所需的熱量與轉(zhuǎn)化為機械功的熱量之比。 若用ηm表示，則ηm=Q3/(Q1-Q2)等。
當(dāng)前熱機效率
熱機的效率是熱機問世以來科學(xué)家、發(fā)明家和工程師們?nèi)栽谘芯康囊粋€重要問題。 與最初的蒸汽機相比，如今的內(nèi)燃機和噴氣發(fā)動機的效率有了很大的提高，但從目前的節(jié)能要求來看，熱機的效率還差強人意。 當(dāng)今最好的噴氣底盤在理想條件下的效率僅為 60%。 應(yīng)用最廣泛的內(nèi)燃機，效率最多也只有40%。 大部分能量都被浪費了。