卡诺循环是热学中一个非常漂亮的思想实验，巧妙地说明了热和功的转化过程，确定了热机的最大效率，奠定了热力学第二定律的基础：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起任何其他变化。
因为我想要谈谈“水汽能”热泵，所以在这里简单回顾一下卡诺循环的概念。
卡诺的想法很简单：为了有效地利用热机、减少热损失，工作物质必须周期性地使用；热源为工作物质提供热量，使之体积膨胀、对外做功；冷源必须对工作物质做功、同时还要吸收由此产生的热量，使得工作物质体积收缩、返回初始状态；这些过程必须是可逆的，没有任何耗散损失（比如说摩擦或者湍流）。
卡诺循环包括4个状态：两个高温T1
的状态A和B，工作气体的压强和体积分别是pA,VA和pB,VB；两个低温T2的状态C和D，工作气体的压强和体积分别是pC,VC和pD,VD
和四个过程。卡诺循环有4个过程：两个等温过程，从A到B的可逆等温膨胀过程，从C到D的可逆等温压缩过程；两个绝热过程，从B到C的可逆绝热膨胀过程，从D到A的可逆绝热压缩过程。
下面按照这四个过程来简述卡诺循环：
（1）从A到B的可逆等温膨胀过程，气体吸收热量Q1、同时对外做功W1，因为温度没变，所以，Q1=W1∝T1lnVBVA。
（2）从B到C的可逆绝热膨胀过程，气体没有吸收热量，但是对外做功W0，所以温度下降，W0∝c(T1−T2)，其中c是气体的比热。
（3）从C到D的可逆等温压缩过程，外界对气体做功W0，同时吸收气体的热量Q2，因为温度没变，所以，Q2=W2∝TlnVCVD。
（4）从D到A的可逆绝热压缩过程，气体没有吸收热量，但外界对气体做功W0∝c(T1−T2)，与过程(2)相同（但符号相反）。
过程(2)和(4)做功和吸热的净效果为零，只是把工作气体在两条等温线上来回移动，因为二者的初态和终态相同（只是互换了），而理想气体的能量只依赖于其温度。过程(1)和(3)的净效果不为零，发生了热功转化，因为二者的温度不一样。一个循环下来，卡诺热机对外做功W=W1−W2=Q1−Q2。需要注意的是，我们前面并没有证明(1)和(3)过程中的比例系数是一致的，也就是说，VBVA=VCVD，但是这个证明并不难。
过程(2)和(4)做功和吸热的净效果为零，只是把工作气体在两条等温线上来回移动，因为二者的初态和终态相同（只是互换了），而理想气体的能量只依赖于其温度。过程(1)和(3)的净效果不为零，发生了热功转化，因为二者的温度不一样。一个循环下来，卡诺热机对外做功W=W1−W2=Q1−Q2。需要注意的是，我们前面并没有证明(1)和(3)过程中的比例系数是一致的，也就是说，VBVA=VCVD，但是这个证明并不难。
理解了这个循环过程，知道所有这四个过程都是可逆的，就可以理解卡诺定理了：所有工作在两个给定热库（恒温的热源和冷源）之间的热机，卡诺热机效率最高。
所有的卡诺热机都是等效的，因此就可以定义热力学温度。否则，就可以构造一对热机（由不等效的两个卡诺热机构成），把热转化为功而不引起其他变化——这样就违背了热力学第二定律。
卡诺热机可以用来做功，这就是通常意义上的热机，把热转化为功，效率是(T1−T2)/T1；卡诺热机可以用来制冷，起到冰箱的作用，效率是T2/(T1−T2)；卡诺热机还可以用来供热，这就是所谓的“热泵”，效率是T1/(T1−T2)。
值得注意的是，热机的效率总是小于100%，但是冰箱和热泵的效率却都可以大于（而且经常是远远大于）100%，这并不是说他们违反了热力学定律，而仅仅是个约定俗成的定义而已。
卡诺循环成立的一个重要因素是所有这些过程都是可逆的、没有损耗的，也就是说，必须是无限缓慢的。这当然是个理想假设，现实中的任何热机都不可能达到这个要求。
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