卡诺循环的目的是什么，也就是说这个循环的设计思路是什么？

这个问题其实挺好的。在很多教材里，都不会介绍萨迪·卡诺是怎么提出这个理想循环过程的，所以我在最初接触卡诺循环的时候，也有相同的疑惑。但如果从萨迪·卡诺所处的历史背景出发，跟随着他的思路来思考，这个问题就很好理解了。

一、卡诺循环提出的背景

首先，第一个大背景。在萨迪·卡诺那个时代，虽然蒸汽机已经经过瓦特的两次改造，但效率依然很低（3%左右）。当时有不少人想对热机（泛指利用内能做功的机械，像蒸汽机、内燃机都属于热机）效率进行改良，萨迪·卡诺就是其中一份子。以他的名字命名的卡诺循环， 其目的正是阐明热机的工作原理，提升热机的工作效率 。

第二个背景，萨迪·卡诺信奉的是热质说。所以，他认为 热质会自动从温度高的地方流向温度低的地方 。

二、萨迪·卡诺的思路

前面提到，热质说的拥趸一般认为热质会自动从温度高的地方流向温度低的地方。

于是萨迪·卡诺将热机与水轮机进行了类比：高处的水流到低处，推动水轮机做功， 水位高度差越大，水轮机做功越多 ；同理，高温热源的「热质」流向低温热源，驱动热机做功， 那么温差越大，热机做功越多 。

此外，萨迪·卡诺还想到：如果 存在水位差的地方没有水轮机 ，让水直接从高处流到低处，那 这一部分能量就浪费了 ；同理，工质与热源传热过程中没法放置热机， 如果传热时存在温差，也会存在内能的浪费 。

综上，萨迪·卡诺认为最理想的情况是：吸热时工质与高温热源的温度极为接近，放热时工质与低温热源的温度也极为接近；即 工质在高温热源温度下实现等温吸热（工质会膨胀），工质在低温热源温度下实现等温放热（工质被压缩） ^[1] 。

有了以上背景，足够说明卡诺循环的工作过程了：

如此这般，就完成了一个完整的卡诺循环。这个过程从压力-体积图中还是看得不太直观，但从温度-熵图中就能看得很明白了（ABCD分别与1234对应）。

总结一下，萨迪·卡诺提升热机效率的关键思路就是： 避免在传热的过程中出现温差 。

三、卡诺循环的特点

首先，从卡诺循环四个步骤中反复提到的 等温、绝热 字眼，就能很自然的想到，这 是一个理想模型（或者说理想热机） 。在实际热机中，由于摩擦、漏热、漏气，其效率肯定不如理想热机。

其次，由于工质和高温热源、低温热源传热过程中不存在温差，所以， 不存在任何热量的自发行为 。因此这个过程完全是 可逆的 ，且不违反热力学第二定律。可逆，这也就意味着：如果一个卡诺热机（即依照卡诺循环运作的理想热机）在高温热源向低温热源传递热量Q1的同时，可以向外做W的功；那么给卡诺热机输入W的功时，他就会从低温热源向高温热源传递Q1的热量（这时候卡诺热机实际上就成了制冷机）。

最后，在两个固定温度的高温热源与低温热源之间， 卡诺热机是效率最高的理想热机 。在萨迪·卡诺的最初表述中，是使用反证法来论证的。如下图所示，假设存在一个理想热机M2，其效率大于卡诺热机M1，那在 高温热源和低温热源之间传递相同热量时，理想热机M2对外做的功必然大于卡诺热机 （即W2＞W1）。刚提到，由于卡诺热机M1是可逆的，如果我们把两个热机和两个热源联立起来，再将理想热机M2输出的功W2中，分出W1输入给卡诺热机M1，卡诺热机M1逆向运行作为制冷机，把高温热源传递给低温热源的热量再搬运回去。这样，就形成了一个「永动机」，这个系统中，高温热源的热量没有流失到低温热源，还能源源不断地对外做W2-W1的功。 受过基本物理教育的人都清楚，永动机不存在，因此，比卡诺热机效率更高的理想热机也不存在 。

四、卡诺循环的应用

第三段说到，卡诺循环是一个理想热机，理想热机现实中造不出来，所以卡诺循环肯定没可能直接应用。 但理想模型的意义就是让我们排除其他因素的干扰，直接抓取问题本质 。

举个例子，卡诺循环的热效率是 \eta_{c}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}} ，这告诉我们， 高温热源和低温热源的温差越大，热机效率更高 。光这一个设计思路，就能经常在现实生活中看到。经常炒股的朋友，应该能回想到去年6月份的时候，超超临界发电概念股有个突然的爆发。所谓超超临界发电技术，就是让火电机组的主蒸汽压力更高、主蒸汽温度更高，从而实现更高的发电效率。

研究理想热机，是能够为现实热机的设计提供指导的，而卡诺循环的最大意义，也正是这个 。

参考

1. ^ [1]鄢红春,周骏,方大群."卡诺循环"教学中的潜科学分析[J].物理与工程, 2003, 13(6):3.DOI:10.3969/j.issn.1009-7104.2003.06.017.
2. ^https://zh.m.wikipedia.org/wiki/卡诺循环