第五讲 循环过程 热机

1、2525锅锅炉炉给水泵给水泵冷凝器冷凝器气缸气缸高温高压蒸汽高温高压蒸汽【工作物质】热机中被循环用来吸收热量并做功的物质【工作物质】热机中被循环用来吸收热量并做功的物质。内能转化为机械能内能转化为机械能吸收热量吸收热量增加内能增加内能向低温热向低温热源放热源放热冷冷却却水水 热学热学 循环过程热机循环过程热机【热机】持续地将热能转化为功的机器【热机】持续地将热能转化为功的机器。 热学热学 循环过程热机循环过程热机【热机】持续地将热能转化为功的机器【热机】持续地将热能转化为功的机器。例：蒸汽机例：蒸汽机 热学热学 循环过程热机循环过程热机【热机】持续地将热能转化为功的机器【热机】持续地将热能转化

2、为功的机器。例：蒸汽机例：蒸汽机工作物质（水蒸汽）在高温热源处吸热增加内工作物质（水蒸汽）在高温热源处吸热增加内能，部分内能通过做功转换为机械能，部分内能，部分内能通过做功转换为机械能，部分内能在低温热源处通过放热传递给外界。能在低温热源处通过放热传递给外界。高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2W工质工质Q1Q2 热学热学 循环过程热机循环过程热机【循环过程】系统从某一状态出发，经历一系列过程【循环过程】系统从某一状态出发，经历一系列过程后，又回到原状态的、周而复始的过程后，又回到原状态的、周而复始的过程。【准静态循环过程】任意中间过程均为准静态过程的【准静态循环过程】任意中间过程均为准静

3、态过程的循环过程循环过程。理想化过程理想化过程VpO对应状态图中的闭合曲线对应状态图中的闭合曲线0 E EQ QW W 正循环正循环逆循环逆循环W工质对外所作的净功工质对外所作的净功 热学热学 循环过程热机循环过程热机pabcd1V V2V VV1Q Q2Q Q0 W W高温热源高温热源Q1W=Q1 - Q2Q2低温热源低温热源工质工质热机效率热机效率1QW 121QQQ 121QQ 意义：在一次循环中工作物质对外所做的净功占意义：在一次循环中工作物质对外所做的净功占它从高温热源吸收的热量的比例。它从高温热源吸收的热量的比例。注：注：Q1 、Q2 、W都指绝对值都指绝对值各种热机的效率：各种热

4、机的效率：蒸汽机蒸汽机%8 汽油机汽油机%25 柴油机柴油机%37 液体燃液体燃料火箭料火箭%48 研究提高热机效率研究提高热机效率热力学发展热力学发展例例1. 1. mol mol 的的 理想气体经历如图所示准静态循环过程理想气体经历如图所示准静态循环过程（OttOOttO循环汽油机的循环循环汽油机的循环1 2 绝热压缩绝热压缩 V1T1 V2T2 2 3 等容吸热等容吸热 V2T2 V2T33 4 绝热膨胀绝热膨胀 V2T3 V1T44 1 等容放热等容放热 V1T4 V1T1 求循环效率；求循环效率；V11OV2VPT3T4T1T2234 热学热学 循环过程热机循环过程热机家家用用电电冰

5、冰箱箱循循环环冷凝器冷凝器冷冻室冷冻室蒸发器蒸发器节节流流阀阀储储液液器器压压缩缩机机200 0C10atm3atm700 0C100C2QQ112W高温热源高温热源低温热源低温热源QQ( (冷冻室冷冻室) )( (周围环境周围环境) )氟氟利利昂昂冰箱循环演示冰箱循环演示 热学热学 循环过程热机循环过程热机 热学热学 循环过程热机循环过程热机pabcd1V V2V VV1Q Q2Q Q0 W W高温热源高温热源WQ2低温热源低温热源工质工质1Q Q2Q QW W 致冷系数致冷系数W WQ Q2 212Q QQ QQ Q 意义：在一次循环中外界所做的净功中有多少意义：在一次循环中外界所做的净功

6、中有多少用于吸收低温热源的热量。用于吸收低温热源的热量。同样地：同样地：Q1 、Q2 、W都指绝对值都指绝对值141V4V231p2pPVoQ14 Q43Q32Q21122TT 134TT 142TT WQ吸吸 Q 吸吸=Q14+Q431141425)(RTTTCQp143433)(RTTTCQV1RTW 1211RT=5.5例例2 2 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其中氦气经过如图所示的循环过程，其中 求循环过程致冷系数。求循环过程致冷系数。142V VV V 122p pp p 2-2-5 循环过程热机循环过程热机2626 热学热学 卡诺循环卡诺循环18241824年，法国年，法

7、国 28 28 岁工程师岁工程师十九世纪初，蒸汽机效率很低，只有十九世纪初，蒸汽机效率很低，只有 5%，人们花了近五十年进行改进，效率只提高到人们花了近五十年进行改进，效率只提高到 8%。为此人们在理论上研究热机效率。为此人们在理论上研究热机效率。问题：问题： 1 1、热机效率是否存在极限？、热机效率是否存在极限？ 2 2、热机效率与工作物质有无关系？、热机效率与工作物质有无关系？卡诺采用科学抽象的方法建立了卡诺采用科学抽象的方法建立了理想化的模型，即理想化的模型，即卡诺热机卡诺热机。用用卡诺循环卡诺循环来研究问题。来研究问题。【卡诺循环】工质只与两恒温热源接触，【卡诺循环】工质只与两恒温热源

8、接触，由两个准静由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成，态等温过程和两个准静态绝热过程组成，且且无散热、摩擦、漏气等因素的循环无散热、摩擦、漏气等因素的循环。理想循环理想循环例：理想气体的例：理想气体的 卡诺循环卡诺循环p0 V等温线等温线绝热线绝热线 a b c da ad dc cb ba a: ) 1卡诺正循环卡诺正循环a ab bc cd da a: ) 2卡诺逆循环卡诺逆循环 热学热学 卡诺循环卡诺循环T1T2恒温恒温( (高温高温) )热源热源恒温恒温( (低温低温) )热源热源工质工质Q1Q2WQ1W=Q1 - Q2Q2卡诺热机效率卡诺热机效率12C1Q QQ Q a b

9、c d1T T2T T1V V0 Vp2V V3V V4V V121T TT T 热学热学 卡诺循环卡诺循环 1 1、在同样两个温度分别为、在同样两个温度分别为T T1 1，T T2 2热库之间热库之间工作的各种工质的卡诺循环效率都等于工作的各种工质的卡诺循环效率都等于 c c c c是实际热机可能效率的最大值是实际热机可能效率的最大值 2. Carnot 2. Carnot 循环效率只决定于高低温热循环效率只决定于高低温热源温度，源温度， 给出了提高热机效率的方向；给出了提高热机效率的方向；3. 3. 热机效率不能达到热机效率不能达到100100。121TTc讨论讨论吗吗 ？1 1、图中两卡

10、诺循环、图中两卡诺循环21 2T1T2W1W21WW poVpoV2T1T2W1W3T21WW 21 21 热学热学 卡诺循环卡诺循环讨论讨论2 2、两卡诺循环两卡诺循环ABCDA、EFGHE：212S SS S 求（求（1 1）效率之比（）效率之比（2 2）吸热之比）吸热之比1S S2S S21 212Q QQ Q 热学热学 卡诺循环卡诺循环0 VQ1Q2WT1T2WQ2恒温恒温( (高温高温) )热源热源恒温恒温( (低温低温) )热源热源工质工质卡诺致冷系数卡诺致冷系数212CQ QQ QQ Q a b c d1T T2T T1V Vp2V V3V V4V V212T TT TT T Q

11、1= W+ Q2)(1212 T TT TQ QW W1 1、T1 相同，相同，T2 越小，吸收等量热量，需越小，吸收等量热量，需 越大；越大；2 2、T2 相同，相同，T1 越大，吸收等量热量，需越大，吸收等量热量，需 越大。越大。 热学热学 卡诺循环卡诺循环例：例： 一台电冰箱放在室温为一台电冰箱放在室温为 的房间里的房间里 ，冰箱，冰箱储藏柜中的温度维持在储藏柜中的温度维持在 。 现每天有现每天有 的热量自房间传入冰箱内的热量自房间传入冰箱内 , , 若要维持冰箱内温度不若要维持冰箱内温度不变变 , , 外界每天需作多少功外界每天需作多少功 , , 其功率为多少其功率为多少? ? （设在

12、（设在 至至 之间运转的致冷机的致冷系数之间运转的致冷机的致冷系数 是卡诺致冷机致冷系数的是卡诺致冷机致冷系数的55% ）C20C5J10027 .C5C202-2-6 卡诺循环卡诺循环例例1、下列理想气体的各种过程中，哪些可能发生？、下列理想气体的各种过程中，哪些可能发生？哪些不能发生？为什么？哪些不能发生？为什么？ 1、内能减少的等容加热过程；、内能减少的等容加热过程； 2、吸收热量的等温压缩过程；、吸收热量的等温压缩过程； 3、吸收热量的等压压缩过程；、吸收热量的等压压缩过程； 4、内能增加的绝热压缩过程；、内能增加的绝热压缩过程；例例2、一定质量的理想气体的循环过程如图示，试分、一定质

13、量的理想气体的循环过程如图示，试分析以下过程析以下过程 Q、W的正负。的正负。1、 1 2 过程过程 2、 2 3 过程过程 3、3 1 过程过程 4、循环过程循环过程 1 2 3 1 PP3P1123T1T2T0例例3、一侧面绝热的汽缸内盛有、一侧面绝热的汽缸内盛有1mol的单原子分子的的单原子分子的理想气体。气体的温度理想气体。气体的温度T1=273K，活塞外气压，活塞外气压P0=1.01105Pa，活塞的面积，活塞的面积S=0.02m2。活塞的质量。活塞的质量m=102kg（活塞绝热、不漏气且与汽缸壁的摩擦可（活塞绝热、不漏气且与汽缸壁的摩擦可忽略）。由于汽缸内小突起物的阻碍，活塞起初停忽略）。由于汽缸内小突起物的阻碍，活塞起初停在离汽缸底部在离汽缸底部1m处，今在底部缓慢地加热汽缸中的处，今在底部缓慢地加热汽缸中的气体，使活塞上升气体，使活塞上升0.5m。试通过计算指出（试通过计算指出（1）汽缸中的气体经历的是什么过）汽缸中的气体经历的是什么过程？（程？（2）汽缸中的气体在整个过程中吸了多少热？）汽缸中的气体在整个过程中吸了多少热？1m0.5m例例4、1mol的理想气体在的理想气体在T1=400K的高温热源与的高温热源与T2=300K的低温热源间做