热机是指介质从高温热源吸热、向低温热源放热并对环境作功的循环操作机器，通常认为热机可实现热功转换. 热机效率：η=-W/Qh （1）
式（1）中η代表热机效率，W为热机对环境做的功，Qh表示热机工质从高温热源吸收的热量.
1. 卡诺循环
1824年，法国人卡诺设计出卡诺循环，并将之用于解释热机效率. 本文将围绕卡诺循环的热力学机制，分析卡诺热机效率（η）的不合理性.
卡诺循环参见图1.[1]
Fig.1 Carnot cycle
卡诺热机由理想气体工质、高温（T1）环境及低温（T2）环境三部分组成。其循环包括理想气体连续四个热力学过程，即：①恒温可逆膨胀; ②绝热可逆膨胀; ③恒温可逆压缩及④绝热可逆压缩. 每个过程的热力学机制及能量关系如下.
1.1 恒温可逆膨胀
过程①为理想气体由A→B，此时高温环境温度为T1.
由热力学第一定律可得：dU=TdS-pdV=0
则：Q1=-WV,1=∫pdV=nRT▪ln(V2/V1) （2）
依题：V2>V1，由式（2）可得：Q1>0, WV,1<0
表明过程①发生，理想气体从高温环境吸热，并对高温环境做功，理想气体内能不变.
1.2 绝热可逆膨胀
过程②为理想气体由B→C, 温度将由T1下降至T2.
由热力学第一定律可得：dU=δWV,2=n▪CV,m▪dT
上式积分可得：ΔU2=WV,2=n▪CV,m▪(T2-T1)<0
表明过程②发生，系统体积膨胀，系统对环境做功，功为负, 理想气体内能减少.
1.3 恒温可逆压缩
过程③为理想气体由C→D，此时低温环境温度为T2.
由热力学第一定律可得：dU=TdS-pdV=0
则：Q3=-WV,3=∫pdV=nRT▪ln(V4/V3) （3）
依题：V4<V3，由式（3）可得：Q3<0，wv,3>0
表明过程③发生，理想气体被压缩，从低温环境获取功，并向低温环境放热，其内能保持恒定.
1.4 绝热可逆压缩
过程④为理想气体由D→A，温度由T2升高至T1.
由热力学第一定律可得：dU=δWV=n▪CV,m▪dT
上式积分可得：ΔU4=WV,4=n▪CV,m▪(T1-T2)>0
表明过程②发生，系统体积被压缩，环境对系统做功，功为正, 理想气体内能增加.
2. 理想气体能量变化
卡诺循环中理想气体能量变化参见表1.
Tbl. 1 Energy changes in the four processes of the Carnot cycle
由表1可知，卡诺循环的每一个热力学过程能量均守恒，对于过程①，因对高温环境作功，系统从环境吸热，系统总能量并不增加；同理对于过程③，系统从环境得到功，为保持自身能量恒定，必须向低温环境放热，系统总能量也不发生变化; 过程②、④均为绝热过程，它们对系统作的功刚好抵消.
备注：卡诺循环中的"可逆过程"专指理想气体膨胀或压缩过程的任意瞬间，系统压强与外压恒相等.
3. 结论
卡诺循环的每一个热力学过程能量均守恒，并不涉及功热转化，与热机效率（η）无关.
参考文献
[1] 沈文霞. 物理化学核心课程（第二版）.北京: 科学出版社, 2009.
