大学物理：Chapter 6-4 循环过程

1、6.4 循环过程,主要内容,1. 循环过程,2. 正循环和循环效率,3. 逆循环与致冷系数,4. 卡诺循环,5. 几种常见热机和制冷机,热机(heat engine):工作物质(水)在每一次循环中都把向高温热源吸收的热量中的一部分用于气缸对外作功，其余的能量则以热量方式向低温热源释放,6.4.1 循环过程,利用热来作功的机器叫热机, 以蒸汽轮机为例,有工作物质 如水(蒸汽机,水,蒸汽,水,蒸汽,热机工作特征,2) 循环过程,应用广泛,一个热机至少应包括如下三个组成部分,1)循环工作物质（水）； (2)两个以上温度不相同的热源。工作物质 从高温热源吸热，向低温热源放热； (3)对外作功的机械装置

2、,热机循环过程特征,热机是工作物质从高温热源吸热使之转化为有用功的机械。 但工作物质从高温热源吸热所增加的内能 不能全部转化为对外作的有用功，因为它还要向外放出一部分热量，这是由循环过程的特点决定的。 所谓循环过程是指系统(即工作物质)从初态出发经历一系列中间状态最后回到原来状态的过程,正循环(顺时针) - 热机,逆循环(逆时针) - 致冷机,循环过程的分类: 正循环与逆循环,正循环,逆循环,6.4.2 正循环和循环效率,设工质从高温热源吸热 Q1，向低温热源放热 Q2，对外作功 A,净吸热,对外作功,能量转换关系,净功A为循环过程曲线所包围的面积,热机效率：一次循环过程中，工质对外作的净功A

3、与它从高温热源吸收的热量Q1的比值,内能增加,说明,正循环的膨胀过程中，系统从外界吸热，Q1包括 整个循环过程中吸收的热量(Q10,2. 正循环的压缩过程中，系统向外界放热，Q2包括 整个循环过程中放出的热量(Q20注意取绝对值,如何提高热机的效率,哪一种循环的效率最高,最大可能的效率是多少,致冷系数,逆循环过程中，工质从低温热源吸收热量 Q2 ( Q2 0 ), 并向高温热源放出热量 Q1 ( Q1 0 )，外界必须对工质作功. 循环过程中 Q2 - |Q1| = - |A,6.4.3 逆循环与致冷系数,从低温热源吸收的热量Q2 与外界作的功A之比,例. 1 mol 氦气经过如图所示的循环过

4、程，其中P2=2P1 , V4=2V1 , 求：（1）12、23、34、41各过程中气体吸收的热量；（2）热机的效率,解: （1）由理想气体状态方程得,2）全过程吸收的热量为,全过程对外界作的功为,广东大亚湾核电站总装机容量为 ，效率为30,例,求,当发电机组全部投入运行时，每秒钟热机从核锅炉中吸取的热量；若用10的海水冷却冷凝器，而排水温度为20, 问每秒钟需要多少吨海水,已知海水的比热为,解,每秒钟热机从核锅炉中吸取的热量为,工质向冷凝器每秒钟放出热量,每秒钟所需的海水质量,法国工程师、热力学创始人之一。 他创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单、但有重要理论意义的热机循环卡诺循环

5、，创造了一部理想热机卡诺热机。1824年卡诺提出对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出提高热机效率的有效途径，揭示了热力学的不可逆性，被认为是热力学第二定律的先驱。Why,概念：卡诺循环过程由四个准静态过程组成，其中两个等温过程和两个绝热过程组成。卡诺循环是一种理想化的模型,分类 正循环卡诺热机 逆循环卡诺制冷机,1、卡诺循环,6.4.4 卡诺循环,卡诺热机,1) a-b:等温膨胀过程，吸热,高温热源T1,Q1,2) b-c:绝热膨胀过程,3) c-d:等温压缩过程，放热,低温热源T2,Q2,4) d-a:绝热压缩过程,无散热、无漏气现象,理想的卡诺循环热机效率计算,A B 等温膨胀 B

6、C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩,卡诺循环,a(p1,V1,T1) b(p2,V2,T1,b(p2,V2,T1) c(p3,V3,T2,c(p3,V3,T2) d(p4,V4,T2,d(p4,V4,T2) a(p1,V1,T1,等温膨胀过程,绝热压缩过程,卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成,绝热膨胀过程,等温压缩过程,卡诺循环的热机效率,由绝热过程方程有,卡诺热机的效率仅与高低温热源温度比值有关,卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关。两个热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高,液体燃料火箭 0.48 燃气轮机 0.46 柴油机 0.37 汽油机

7、 0.25 蒸汽机车 0.08 热电偶 0.07,卡诺热机： 理想热机，效率最高,只与T1和T2有关 与工作物质种类、膨胀的体积无关,提高高温热源的温度现实些,2 ) 理论指导作用,1 )卡诺热机效率,这进一步表明 热机循环不向低温热源放热是不可能的； 热机循环至少需要两个热源。否则， 海水降0.01oC，可供全世界1700年所需能量，就无能源危机了,3)理论表明低温热源温度T2 0 说明热机效率,且只能,4)疑问：由热I律 热机循环过程中 如果,相当于把吸收的热量全部作功 从能量转换看 不违反热I定律 但为什么实际上做不到,预示着: 自然界必然还有一个独立于热I律的 定律存在 这就是热II定

8、律,卡诺致冷机，又叫热泵（卡诺逆循环,卡诺致冷机致冷系数,某理想气体准静态卡诺循环，当高温热源温度为T1=400K，低温热源温度T2=300K.对外做净功A=8000J.今维持低温热源温度不变，提高高温热源的温度，使其对外做净功增至A=10 000J，两次卡诺循环都工作在相同的两绝热线之间,例,求,1)第二次循环的效率,2)第二次循环中高温热源的温度,1)第一次循环12341，按卡诺循环效率公式求出,解,根据循环效率的定义 有,第二次循环12 341,第二次循环过程中放热过程不变，放出热量与第一次相等,保持低温热源不变,2) 第二次循环高温热源的温度,用卡诺致冷机使1.00kg、0的水变成0的

9、冰， (设周围环境的温度为27，冰的熔解热为,例,高温热源温度T1=300K，低温热源温度T2=273K.故卡诺循环致冷系数为,解,需要做多少功?致冷机向周围环境放出了多少热量,问,使1.00kg，0的水变成0的冰需要放出的热量,故外界对致冷机做的功,致冷机向周围环境放出的热,将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机称为内燃机(internal combustion engine) 由于内燃机把燃烧移到气缸内部，与蒸汽机相比较可明显升高高温热源温度，因而效率将高于蒸汽机。 内燃机主要有奥托循环(Otto cycle)与狄塞尔(Diesel cycle)循环两种形式,内燃机循环,6.4.5 几种常见的热

10、机和制冷机,德国工程师奥托(Otto,1832-1891)于1876年仿效卡诺循环设计使用气体燃料的火花塞点火式四冲程内燃机。 所使用的工作物质主要是天然气体及汽油蒸汽，这种内燃机也称为汽油机(gasoline engine,1.定体加热循环（奥托循环,汽油机：奥托(Otto)循环,压缩比,等体升压,绝热压缩,绝热膨胀,等体放热,德国工程师狄塞尔(Diesel,1856-1913)于1892年提出了压缩点火式内燃机的原始设计。 所谓压缩点火式就是使燃料气体在气缸中被压缩到它的温度超过它自己的点火温度(例如，气缸中气体温度可升高到600-700，而 柴油燃点为335)。 这时燃料气体在气缸中一边

11、燃烧，一边推动活塞对外作功。 1897年最早制成了以煤油为燃料的内燃机，以后改用柴油为燃料，这就是我们通常所称的柴油机(Diesel engine)。 其简化循环称为狄塞尔循环也称为定压加热循环,2.定压加热循环（笛塞尔循环,柴油机： 狄塞尔(Diesel)循环 - 船舶、拖拉机等使用的四冲程循环,两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程,等压膨胀,绝热压缩,喷油、燃烧,绝热膨胀,等体放热,电冰箱工作原理简图,实质就是两个等压过程；两个绝热过程,氟里昂对臭氧层的破坏,引起公害,循环反应,保护臭氧层,保护地球表面免受某些具有破坏性的紫外线,臭氧O3层,位于地面上空20-50km的同温层中,作用,

12、辐射，控制地球气温（散热片,会议决定：2000年停止生产和消费氟里昂，发展中国家延长10年,后果,紫外线辐射增强,温室效应,气候异常，农业、畜牧业受损，国土干燥化,北极冰帽熔化，海平面上升，大陆被淹,1990.6 伦敦,解决途径,寻找纯工质替代物（无Cl,磁致冷,半导体致冷,冷热双制空调工作原理简图,室外换热器,室外换热器,空调机的循环 致冷机与热泵原理的结合,例,1)夏季使用房间空调器使室内保持凉爽，现须将热量从室内以2000Js-1的散热功率排至室外.设室温为27，室外为37，求空调器所需的最小功率,2)冬天用房间空调器保持室内温暖。设室外温度为3，室温需保持27，仍用上面所给的功率，则每

13、秒传入室内的热量是多少,1)夏天空调器致冷,解,室内低温热源 T2,室外高温热源 T1,设空调功率为P空,一个循环所需时间为t,则从低温热源吸热Q2=P吸t,外界作功大小|A|=P空t,2) 冬天空调器是“热泵,室外低温热源 T2,室内高温热源 T1,设“热泵”从低温热源吸热功率为P吸,每秒钟传给室内的热量为,一直敞开冰箱门 能制冷整个房间吗,打开冰箱凉快一下,解题思路,计算热机的效率与致冷机的致冷系数是与工程实践相关的问题，处理这类问题的一般思路是,1) 根据循环过程作出该循环的p-V 图,2) 一般热机的循环效率,一般致冷机的致冷系数,卡诺热机的循环效率为,卡诺致冷机的致冷系数为,3) 根据题设条件，计算出循环过程中吸收的热量放出的热量及作功的数值,4) 计算循环效率和致冷系数，根据实际情况选用或的不同表达