一窥卡诺循环：制冷系统效率极限在哪里？

      制冷技术悄然融入我们的日常生活，但你知道它背后的核心原理吗？今天，我们将深入浅出地揭示制冷世界的基石—— 卡诺循环 。了解这一原理，就如同掌握了制冷王国的“密码”，为你打开一扇洞察现代制冷技术的大门。

【卡诺循环的基础——热力学第二定律】

      热力学第二定律（熵增原理）作为热力学四大基本定律之一，是描述自然界能量转化与传递方向性和不可逆性的重要法则。其有多种表述形式，在不同的表述形式中，克劳修斯表述和开尔文表述尤为常用：

      放在 制冷技术 的应用背景下，热力学第二定律表明，要想从低温环境中抽取热量并将其转移到高温环境中，必然需要 消耗外部能量 。这是因为制冷本质上是一种 违反自然热量自发传递方向的过程 ，需要克服热力学第二定律所设定的 自然倾向。

      因此， 制冷（热泵）循环的热力学本质就是 ：用能量补偿的方式把热量从低温热源排到高温热源。

      1824年，卡诺发表了他的经典论文，提出了卡诺循环理论，也从理论上明确了热机和制冷机运行热力学原理以及其克服热量在不同温度间自然传递倾向的效率上限，为制热、制冷领域的科学设计提供了理论指导，对热力学技术的发展产生了深远影响。

【揭秘卡诺循环——理想模型的诞生】

     卡诺 将水轮机的工作原理（水需要流动，才能推动水轮机工作）迁移到热机身上，基于两个温度不同的物体接触，热量会从高温物体流向低温物体，这个流动的过程会对外输出功。形象的来讲：就是热量在工作介质中流动会伴随着工作介质体积的变化（常见的热胀冷缩现象），工作介质体积的变化才能推动热机里的活塞运动，从而使得热机工作。

      对于热机的效率问题，卡诺认为理想的热机不应该有损失，在摸清了热机的本质之后，卡诺将理想热机抽象成这样一个简化模型：气体（工作介质）被封闭在一段柱体内，有一个活塞可以在柱体里不计摩擦地来回运动，在柱体外有一个恒温的高温热源和一个恒温的低温热源。

卡诺原理：

   1、在相同的两个热库间，不可逆热机的效率总是低于可逆热机的效率

   2、相同的两个热库间，所有可逆热机的效率都是相同的

卡诺循环由四个理想过程组成，分别是：

 1. 等温吸热过程（Isothermal heat addition） ：在高温热源处，工作物质（如理想气体）从热源吸收热量，并在恒定温度下膨胀做功。

2. 绝热膨胀过程（Adiabatic expansion） ：工作物质继续膨胀，但此过程发生在与外界无热量交换的条件下，即绝热过程中，温度会下降。

3. 等温放热过程（Isothermal heat rejection） ：在低温热源处，工作物质向低温热源释放热量，同时进行压缩，但温度保持不变。

4. 绝热压缩过程（Adiabatic compression） ：工作物质在与外界无热量交换的情况下被压缩回原始状态，温度升高。

【卡诺循环效率——热机&制冷效率极限】

      假设有两个热机A与B同工作在高温热源 TH与低温热源TC之间。由热机效率的定义，以及热力学第一定律（能量守恒定律；第一类永动机不可制得）    

对于制冷设备B而言：

对于热泵设备B而言:

      由卡诺定理第二条可以得知，相同的两个热库间，所有可逆热机的效率都是相同的，所以可逆热机的效率是只和两个热库的温度有关的函数。（这里引入热力学温标（开尔文温标的的来源））即如果是理想的卡诺循环，则可以借鉴热力学温标的推导得：

      因此，对于制冷机和热泵，也有卡诺效率（carnot coefficients），同样的这也是冰箱和热泵的效率理论极限，我们可以从其本身定义来看：

制冷机

热泵

      逆卡诺循环 奠定了制冷理论的基础，揭示了空调制冷系数（俗称EER或COP）的极限。 工程师根据逆卡诺循环设计制冷空调系统，同时也清楚的知道实际制冷系统在设计和优化时的理论极限。 实际制冷循环中，制冷工程师所有的系统效率改进，都是基于逆卡诺循环中，将实际 发生在 空调系统中 热力学 过程趋向于 理想热力学过程，使得 系统效率最高。