摘 要：笔者分析了卡诺循环这一重要理论成果的提出过程及卡诺研究此问题的方法，论述了卡诺定理在汽车专业教学中的运用，介绍了卡诺循环及其拓展研究进展。在专业课堂教学中，恰当地分析和拓展，有助于培养学生的科学素质。

关键词：卡诺循环；卡诺定理；效率；发动机；教学

一、卡诺循环的来源

历史上，如何提高热机的效率曾是物理学家极为关切和竭力解决的问题，而卡诺循环的研究，是其中十分重要的内容。卡诺循环是1824年法国工程师卡诺对热机的最大可能效率问题进行理论研究时提出的，曾对热力学第二定律的建立起了决定性的作用。

课堂教学中结合重大理论成果，追溯科学个体发育过程，揭示科学家创造性的科学思想和科学方法是教学的主要任务之一。卡诺循环教学分析需要回答这样一个问题：卡诺当时是如何提出这一理想循环过程的？他的研究方法是什么？具体地说就是，为什么卡诺认为理想热机的循环过程中，从高、低温热源吸、放热的过程一定要是等温过程吗？卡诺为何要选气体（理想）作为理想热机的工质？

在蒸汽机发明时，其效率很低，到18世纪末，只有3％左右，即有约97%的热量得不到有效利用。为提高蒸汽机的效率，卡诺专心研究热机理论和热机工作原理，力求找出热机不完善的原因。当时，卡诺相信“热质说”，于是，他把热量从高温热源经过热动力机传入低温热源时能够做功，看作水从高处流经水轮机后流入低处能够做功一样，这个类比使卡诺得到一个重要结论：热动力机至少工作于一个高温热源和一个低温热源之间，“凡是有温度差的地方就能产生动力”。正像水位差愈大水轮机做功愈多一样，他认为温差愈大效果愈好。他考虑到，在水位差当中若不放置水轮机，让水直接从高处流入低处的话，水轮机的做功损失掉了，同样，工质与热源间有温差时传热，就会引起功的损失。因此他认为，吸热时工质应与热源的温度极为接近，放热时工质与冷源的温度也应极为接近。理想的情况是：工质在热源温度下实现定温吸热过程；工质在冷源温度下实现定温放热。卡诺的工作，在实践上为提高热机效率指明了方向。即热机的效率为η=（T1-T2）/T1=1-T2/T1。

其中T2为吸热温度，T1为为放热温度，显然T1越高，或T2越低，则热机效率越高。

二、卡诺循环及效率在中职汽车教学中的运用

汽车发动机是一种将热能转变为机械能的热机，但是发动机不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。即热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体。那么发动机如何将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功呢？答案是依靠气体膨胀做功。可是膨胀也是有限度的，必须在膨胀后使其恢复到初始状态，才能进行下一次做功以获得连续的机械能输出。这就要依靠工作循环来完成进气、压缩、做功、排气四个行程，以获得机械能，使汽车源源不断地获得动力。

汽车发动机也不可能将所有的热能全部转化为机械能，当汽车发动机工作时，汽车气缸中的活塞，从喷油嘴中喷出油雾，火花塞点火汽油燃烧，体积迅速膨胀，从燃烧的汽油中吸取热量，一部分对外做功，使汽车获得机械能，而另一部分消耗能量，使汽车的机械效率低于1，符合卡诺循环的热机效率公式。例如，燃油汽车在能量转换过程中要遵守卡诺循环的规律来做功，但热效率较低，只有1/3左右的能量用在推动车辆前进上，其余2/3左右的能量损失在发动机和驱动链上。为了提高发动机效率，人们采用了很多方法。如发动机中的冷却液是汽车发动机不可缺少的一部分。它在发动机冷却系统中循环流动，将发动机工作中产生的多余热能带走，使发动机能以正常工作温度运转。当冷却液不足时，会使发动机水温过高而导致发动机机件损坏。又如在发动机气缸内多提供燃料燃烧或提供更多的空气，那么在发动机排量一定的情况下，就可提高发动机的输出功率。电喷式发动机就是多数将汽油喷入进气歧管或进气管道，与吸入的空气混合通过进气门进入气缸，少数则是将汽油直接喷入气缸内与空气混合燃烧，为进一步改善汽车的燃油经济性，提高热效率。现代科技成果在汽车发动机中的应用也不可缺少。如电子节气门控制系统和可变凸轮正时技术、连续正时气门控制技术（S-VT）与可变气门时间技术VVT、汽油直喷技术等，还可减少耗油量和氮氧化物废气的排放及大幅度地降低发动机的噪声要提高发动机热效率，驾驶员的驾驶技巧也很重要。而驾驶员的驾驶技巧也有卡诺循环在其中。当发动机处于中等转速时，进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环，可减少耗油量和废气的排放。

三、卡诺循环在专业教学中的拓展

卡诺不仅研究了理想气体，也研究了蒸汽机和酒精机，如蒸汽机的蒸汽温度越高，而其做功后蒸汽温度越低，它的效率就越高。在高温循环中，液体吸收发动机高温废气的能量，推动高温蒸气柱塞泵做功，然后变成高温液体。做功的动力来自蒸气变成液体时所释放出的能量。在这个高温循环中可以收集发动机废气里80%的能量。但由于高温循环之后的蒸气温度仍然很高，为了充分回收热能，高温液体和发动机冷却循环中高温液体的热量又在低温循环中被回收，通过蒸气发生器变成蒸气，再通过低温蒸气柱塞泵继续辅助发动机。再如航空喷气发动机，虽然其循环并非严格卡诺循环，但这一原则同样有效。因为发动机的燃气直接排到空气中，低温热源温度很难降低，只有提高高温热源的温度，即提高燃气从燃烧室进入到涡轮前的温度，这样便能提高发动机的热效率。

卡诺的思路不局限于等温绝热变化范围，还适用于与热现象相关的所有可逆循环，如空气源热泵热水器、地温中央空调等。卡诺循环还可推广至所有需要物质输入输出才能不断进行循环复原活动的机构，如内燃机、催化反应、热化学机、工厂、生命、生态系统等。

四、小结

卡诺利用“热质说”，并出色地运用类比和建立理想模型的方法提出了卡诺循环这一理想循环。教学中，通过过程的介绍，一是使学生了解前辈物理学家是如何思考科学问题的；二是使学生了解前辈科学家进行科学探索的方法——类比法和建立理想模型的方法；三是使学生了解到科学历程的艰难性和曲折性。

参考文献:

［1］关士续，等.自然辩证法概论［Ｍ］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］马本望，等.热力学与统计物理［M］.北京：人民教育出版社，1980：21.

（作者单位 衢州市工程技术学校）