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卡诺循环与汽车发动机

摘要：卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年

提出的。该循环以理想气体为工质，由两个等温循环和两个绝热循环组成，而按照卡诺循环工作的热机叫做卡诺热机。1862年法国一位工程师首先提出四冲程循环原理，1876年德国工程师尼古拉斯·奥托利用这个原理发明了发动机，因这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，故把这种循环命名为奥托循环。

关键字：卡诺循环 汽车发动机 奥托循环 正文：

随着对热力学这一部分物理知识了解的不断深入，我感觉到了物理学中的循环之美。而卡诺循环便是热力学这一部分知识中几近完美的表现。

卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程。要完整的了解卡诺循环，我们就需要从卡诺循环的四个过程入手，只有详细在详细了解这四个过程的基础上，我们才能更加深刻地了解卡诺循环。卡诺循环包括四个步骤： 等温膨胀， 绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。首先是等温膨胀，即理想气体从状态1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等温膨胀到状态2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2）在这个过程中，理想气体与高温热源接触，由状态1等温膨胀到状态2，从高温热源吸收热量，吸收的热量为

Q1=?RT1ln（V2/V1） （1）

其次是绝热膨胀，即从状态2绝热膨胀到状态3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3）， 然后是等温压缩，即从状态3等温压缩到状态4（Ｐ4，Ｖ4，Ｔ4），在这个过程中，理想气体与低温热源接触，由状态3等温压缩到状态4，向低温热源放出热量，放出的热量为

Q2=?RT2ln（V3/V4） （2）

最后从状态4绝热压缩回到状态1如图（一）。

图（一）

不难看出，卡诺循环可以想象为是工作与两个恒温热源之间的准静态过程，其高温热源的温度为Ｔ1，低温热源的温度为Ｔ2。

1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的一个理想循环。他假设工质只与两个恒温热源交换热量，没有耗散效应。为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程。而根据循环效率的定义式可得的到卡诺循环的效率为：

（3）

从式（3）不难看出以理想气体为工质的卡诺循环的效率只由两个热源的热力学温度决定，而实际生活中由于耗散效应，效率往往低于此效率。因此，此效率是实际热机可以达到的效率的极限值。

与卡诺循环原理有着一定的相似性，同时在实际生活中与之联系最密切的也是我们最常见的当属汽车发动机。

据调查显示，目前几乎所有汽车都使用四冲程燃烧循环来将汽油转化为运动。 而汽车的这种四冲程方式又称作“奥托循环”，以此纪念1867年发明它的尼克劳斯?奥托 (Nikolaus Otto)。这四个冲程如图（二）所示。 它们分别是：进气冲程，压缩冲程，燃烧冲程，排气冲程。现在，就让我们走进奥托循环的四个过程。

图（二）

a进气冲程：活塞从上止点运动到下止点的过程叫进气冲程（曲轴旋转角度0~180°），该冲程进气门打开，排气门关闭，气室与大气相通，通过大气压力使油气混合气进入，进气终了汽缸内压力约为0.075~0.09MPa。

b压缩冲程：活塞从下止点运动到上止点的过程叫压缩冲程（曲轴旋转角度180°~360°），该冲程进排气门全关闭，气室内的油气混合气压力逐渐升高，压缩冲程终了气室内压力约为0.6~1.2MPa。

c作功冲程：活塞从上止点运动到下止点的过程叫作功冲程（曲轴旋转角度360°~540°），该冲程进排气门全关闭，活塞在上止点位置时火花塞跳火点燃油气混合气使气缸内的压力急剧升高（可达到3~5MPa），推动活塞作向曲轴的运动，压力逐渐下降，作功冲程终了气室内压力约为0.3~0.5MPa。

d排气冲程：活塞从下止点运动到上止点的过程叫排气冲程（曲轴旋转角度540°~720°），该冲程进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动推动燃烧后的废气排出气室，该冲程终了气室内的气压约为0.105~0.115MPa。该冲程的结束也标志这发动机一个工作循环的结束。

汽车发动机的这种做功方式与卡诺循环在原理上有着一定的联系，但是从具体的过程中不难看出，发动机的一个工作循环与卡诺循环的一个循环有着极大的区别。首先，从循环过程的形式而言，卡诺循环的四个过程分别为等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。这四个过程介绍了卡诺循环的工质，即理想气体的四种变化方式，从而使得理想气体在初状态和末状态拥有相同的物理状态。而汽车发动机的一个工作循环包括进气冲程，压缩冲程，燃烧冲程，排气冲程。这四个过程介绍了汽车发动机完成一个循环的过程中活塞等发动机配件的运转状态，可以说发动机的四个冲程是发动机在完成一个工作循环时的运动状态。其次，从功能转化进行分析，卡诺循环是一种理想状态，没有考虑在整个循环过程中能量的散耗效应。而汽车发动机的一个工作循环是实际生活中一种相当重要的功能转化方式。它与发动机的型号，器件参数，工作环境以及零件老化状态等诸多因素有关。

科学源于生活，科学高于生活。在我看来科学的崇高体现在它能反作用于生活，从而让我们可以以科学为标杆生活的更加方便，幸福。卡诺循环以及汽车发动机的原理--奥托循环的相同之处在于，卡诺循环为实际中如何提高燃煤电厂的效率指明了方向，而奥托循环更是推动了工业的发展，彰显了科学的崇高，激励着一代又一代科学登山者攀登科学的高峰。

参考文献：

[1]祝占元《汽车发动机原理》黄河水利出版社

[2]王忠福《汽车发动机构造与检修》电子工业出版社 图片来源： [1]百度图片 [2]奥杰汽车网