卡諾迴圈的目的是什麽，也就是說這個迴圈的設計思路是什麽？

這個問題其實挺好的。在很多教材裏，都不會介紹薩迪·卡諾是怎麽提出這個理想迴圈過程的，所以我在最初接觸卡諾迴圈的時候，也有相同的疑惑。但如果從薩迪·卡諾所處的歷史背景出發，跟隨著他的思路來思考，這個問題就很好理解了。

一、卡諾迴圈提出的背景

首先，第一個大背景。在薩迪·卡諾那個時代，雖然蒸汽機已經經過瓦特的兩次改造，但效率依然很低（3%左右）。當時有不少人想對熱機（泛指利用內能做功的機械，像蒸汽機、內燃機都屬於熱機）效率進行改良，薩迪·卡諾就是其中一份子。以他的名字命名的卡諾迴圈， 其目的正是闡明熱機的工作原理，提升熱機的工作效率 。

第二個背景，薩迪·卡諾信奉的是熱質說。所以，他認為 熱質會自動從溫度高的地方流向溫度低的地方 。

二、薩迪·卡諾的思路

前面提到，熱質說的擁躉一般認為熱質會自動從溫度高的地方流向溫度低的地方。

於是薩迪·卡諾將熱機與水輪機進行了類比：高處的水流到低處，推動水輪機做功， 水位高度差越大，水輪機做功越多 ；同理，高溫熱源的「熱質」流向低溫熱源，驅動熱機做功， 那麽溫差越大，熱機做功越多 。

此外，薩迪·卡諾還想到：如果 存在水位差的地方沒有水輪機 ，讓水直接從高處流到低處，那 這一部份能量就浪費了 ；同理，工質與熱源傳熱過程中沒法放置熱機， 如果傳熱時存在溫差，也會存在內能的浪費 。

綜上，薩迪·卡諾認為最理想的情況是：吸熱時工質與高溫熱源的溫度極為接近，放熱時工質與低溫熱源的溫度也極為接近；即 工質在高溫熱源溫度下實作等溫吸熱（工質會膨脹），工質在低溫熱源溫度下實作等溫放熱（工質被壓縮） ^[1] 。

有了以上背景，足夠說明卡諾迴圈的工作過程了：

如此這般，就完成了一個完整的卡諾迴圈。這個過程從壓力-體積圖中還是看得不太直觀，但從溫度-熵圖中就能看得很明白了（ABCD分別與1234對應）。

總結一下，薩迪·卡諾提升熱機效率的關鍵思路就是： 避免在傳熱的過程中出現溫差 。

三、卡諾迴圈的特點

首先，從卡諾迴圈四個步驟中反復提到的 等溫、絕熱 字眼，就能很自然的想到，這 是一個理想模型（或者說理想熱機） 。在實際熱機中，由於摩擦、漏熱、漏氣，其效率肯定不如理想熱機。

其次，由於工質和高溫熱源、低溫熱源傳熱過程中不存在溫差，所以， 不存在任何熱量的自發行為 。因此這個過程完全是 可逆的 ，且不違反熱力學第二定律。可逆，這也就意味著：如果一個卡諾熱機（即依照卡諾迴圈運作的理想熱機）在高溫熱源向低溫熱源傳遞熱量Q1的同時，可以向外做W的功；那麽給卡諾熱機輸入W的功時，他就會從低溫熱源向高溫熱源傳遞Q1的熱量（這時候卡諾熱機實際上就成了制冷機）。

最後，在兩個固定溫度的高溫熱源與低溫熱源之間， 卡諾熱機是效率最高的理想熱機 。在薩迪·卡諾的最初表述中，是使用反證法來論證的。如下圖所示，假設存在一個理想熱機M2，其效率大於卡諾熱機M1，那在 高溫熱源和低溫熱源之間傳遞相同熱量時，理想熱機M2對外做的功必然大於卡諾熱機 （即W2＞W1）。剛提到，由於卡諾熱機M1是可逆的，如果我們把兩個熱機和兩個熱源聯立起來，再將理想熱機M2輸出的功W2中，分出W1輸入給卡諾熱機M1，卡諾熱機M1逆向執行作為制冷機，把高溫熱源傳遞給低溫熱源的熱量再搬運回去。這樣，就形成了一個「永動機」，這個系統中，高溫熱源的熱量沒有流失到低溫熱源，還能源源不斷地對外做W2-W1的功。 受過基本物理教育的人都清楚，永動機不存在，因此，比卡諾熱機效率更高的理想熱機也不存在 。

四、卡諾迴圈的套用

第三段說到，卡諾迴圈是一個理想熱機，理想熱機現實中造不出來，所以卡諾迴圈肯定沒可能直接套用。 但理想模型的意義就是讓我們排除其他因素的幹擾，直接抓取問題本質 。

舉個例子，卡諾迴圈的熱效率是 \eta_{c}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}} ，這告訴我們， 高溫熱源和低溫熱源的溫差越大，熱機效率更高 。光這一個設計思路，就能經常在現實生活中看到。經常炒股的朋友，應該能回想到去年6月份的時候，超超臨界發電概念股有個突然的爆發。所謂超超臨界發電技術，就是讓火電機組的主蒸汽壓力更高、主蒸汽溫度更高，從而實作更高的發電效率。

研究理想熱機，是能夠為現實熱機的設計提供指導的，而卡諾迴圈的最大意義，也正是這個 。

參考

1. ^ [1]鄢紅春,周駿,方大群."卡諾迴圈"教學中的潛科學分析[J].物理與工程, 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