卡诺循环|为了让你过好夏天，你知道科学家们有多努力吗？( 二 )
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要谈气体动力学制冷 ， 就得直面大名鼎鼎的“卡诺循环” 。 1824年 ， 法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺提出了卡诺循环(Carnot cycle)来分析热机的工作过程 。
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卡诺循环
卡诺循环是假设只有两个热源（一个高温热源温度T1和一个低温热源温度T2）的简单循环 。 由于工作物质只能与两个热源交换热量 ， 所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成 ， 在理想气体的准静态过程中进行能量转化：等温膨胀过程I→II（在高温热源吸热 Q1 ）；绝热膨胀过程II→III（ΔQ=0）；等温压缩过程III→IV（在低温热源放热 Q2 ）；绝热压缩过程IV→I（ΔQ=0） 。 整个循环中气体对外所作的净功 W 应等于气体在循环中所吸收的净热量 Q1-Q2 。 理想的卡诺循环效率为（详细计算过程可查《热力学·统计物理》）：
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这说明卡诺循环效率只与两个热源的温度有关 ， 且在有限温度内不可能达到1 ， 不过可以通过升高高温温度和降低低温温度来增大效率 。
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斯特林发动机 I | 来源：看点快报
1816年 ， 英国伦敦的牧师罗巴特·斯特林（Robert Stirling）发明了斯特林发动机（Stirling engine） ， 它理论上的效率几乎等于理论最大效率——卡诺循环效率 。 斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的 。 它是一种外燃发动机 ， 使燃料连续地燃烧 ， 蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动 ， 膨胀后的气体又在冷气室里被冷却 ， 反复地进行这样的循环过程 。
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斯特林发动机 II | 来源：看点快报
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斯特林发动机 III | 来源：看点快报
由于准静态过程可逆 ， 如果令整个卡诺循环反向进行 ， 依次经状态 I→IV→III→II 而回到状态I ， 就需要外界对系统作功 ， 在低温热源 T2 吸热 Q2 ， 在高温热源 T1 放热 Q1 ， 这个逆循环正是理想制冷器的工作循环 ， 其作用是把热量从低温物体送到高温物体 。
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斯特林制冷器示意图 ， 该系统由一个活塞在环境温度 Ta, 一个活塞在低温 TL | 来源：wiki
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斯特林循环的四种状态 | 来源：wiki
斯特林制冷器正是利用逆卡诺循环来实现降温的 ， 它由冷热活塞、冷量换热器、冷却器、回热器和两个气缸组成 。 冷却循环分为4个步骤；
等温压缩过程 a→b：冷活塞固定 ， 热活塞右移 ， 以环境温度 Ta 放热 Qa ；
定容放热过程 b→c：两个活塞同时向右移动 ， 气体的体积保持不变 ， 当热气体通过回热器时 ， 将热量传给填料 ， 因而温度由 Ta 降低到 TL ；
等温膨胀过程 c→d：热活塞固定 ， 冷活塞右移 ， 温度为 TL 的气体进行等温膨胀 ， 从低温热源（冷却对象）吸收一定的热量 QL（制冷量）；
定容吸热过程 d→a：两个活塞同时向左移动直至左止点,气体体积保持不变 ， 回复到起始位置 。 当温度为 TL 的气体流经时从回热器填料吸热 ， 温度升高到 Ta 。
外界对制冷器作功：
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效率为：
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发现其理想效率也只与两个温度有关 。 斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点 。 两空间制冷机温度可达 80 K 。 三空间制冷机温度可达 10.5-20 K 。 四空间制冷机温度可达 7.8 K 。 冷头最底温度达到6K到 3.1 K的斯特林制冷器也已研制成功 。 除此之外 ， 还有Gifford-Mcmahon(GM) 制冷器、脉冲管制冷器、节流制冷器等等 。
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