卡诺热力学：深入理解热质概念的重要转变

爸爸，我想到了一件神秘的事情，

……你看起来就像一条张着大嘴的鲤鱼。

R.Kipling，《字母表是如何创造出来的》

去发现并立即指出不同事情之间的相似性是儿童的天性。像往常一样，这并不会产生任何严重的后果，就像指出爸爸看起来就像是一条张着大嘴的鲤鱼的情况一样。而在一些罕见的情况下，一个聪明的男孩所发现的相似性已经在物理学上产生了很大的影响。

法国历史上那个臭名昭著的男子，拉撒尔卡诺，除了是拿破仑的部长外，还是一位优秀的液压工程师。他熟知通过涡轮机可以使水的重力势能转换为机械能的原理：功率差不多等于水的流量乘以水的高度。卡诺可爱的儿子萨迪在孩提时代就已经知道了这个准则，他已经懂得高度和温度之间、水流机械功率和热流之间的相似性。相对于水的重力流速，他想象出一种被称为“热质”的特殊液体。在他的观点中，热流量等于热质速率乘以温度差。水的高度差对应于热流量中的温度差。

但是，并不是每一个类比都具有同一性。正如我们现在所知道的温度是以绝对零度为基准的，而高度的零度是任意的。然而，当我们考虑高度差的时候那个区别是无关紧要的。不同于其他液体，热质是没有重量的。它既不会蒸发也不结冰。这些细微的差别并不能阻碍萨迪·卡诺的理论被普遍地接受。作为一个军事工程师，他在一本书中发表了自己的观点。这本书在1824年成为关于热机的第一本教科书。在这个时候，作者只有28岁。他用公式表示出热能够转换为动力的最大量。这个数字是热机进出口温度差与热流进口处绝对温度的比值（卡诺系数）。(www.xing528.com)

由于热流的出口温度不低于环境温度，所以可以转换的比例明显小于1。为了增加效率，继卡诺之后成千上万的工程师试图增加热流转换中的入口温度。现在，燃气轮机的最高温度约为1700K。如果环境温度大约为300K，则最大比例为（1700-300）/1700≈0.82。

由于各种摩擦，实际可以达到的最大效率是使用燃气轮机和蒸汽轮机相结合的形式取得的0.60。这表明，由J.焦耳提出的最后一个关于完全的热量转换的观点是不正确的。

现在让我们专注于由卡诺和他同时代的同事假定的液体“热质”的最不寻常的属性：它可以凭空产生。为了产生热质，只需要有机械、电气或热的摩擦（见下文）。热质的概念的重要转变发生在卡诺之后的几十年中，主要由鲁道夫克劳修斯发展。他表明作为一种液体的热质是不存在的。他引进了“熵”的概念，后来成为了在物理学上应用最为广泛、最受欢迎、最难理解、有时候最容易令人误解的词汇。有了这个词之后，我们没感觉更加舒适。在本文中，我们更倾向于用旧的单词“热质”。我们知道这是一步倒退，然而，只有一步的倒退才能有几步的前进。

因此，就像在卡诺时代一样，当谈到热机或家用电池时，我们用温度乘以热质来计算热量。