物理上06-03循环过程循环

1、第六章 热力学基础6-3 循环过程 卡诺循环 卡诺( Carnot ) 法国炮兵军官 26. 热力学基础6.1 热力学第零定律和第一定律6.2 热力学第一定律对理想气体准静态过程的应用6.3 循环过程 卡诺循环6.4 热力学第二定律6.5 可逆过程与不可逆过程 卡诺定理6.6 熵 玻尔兹曼关系6.7 熵增加原理 热力学第二定律的统计意义6.8* 耗散结构 信息熵 循环过程 卡诺循环3循环过程循环过程：一个系统，经过一系列变化后又回到初始状态的过程。 （意义：热机改进）17 世纪末发明了巴本锅和蒸汽泵18 世纪末瓦特完善了蒸汽机 (增加了冷凝器，发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等 )使其成为真正的

2、动力.蒸汽机的改善：扩大容量 ( 很多人做 )提高效率 ( 卡诺 )年轻的法国炮兵军官 Sadi Carnot 探索如何用较少的燃料获得较多的动力，以提高效率和经济效益。 热机：将热转换为功。 方法：理想气体等温膨胀？4蒸汽机托马斯纽科门蒸汽机早期的蒸汽机使用蒸汽凝结时产生的真空来做功，后来则使用蒸汽膨胀来做功。双动活塞5蒸汽机三胀式蒸汽机内燃机将燃料的化学能转化机械能。汽车上常见的四冲程循环的往复活塞式内燃机，其工作方式即为循环燃烧。每次循环可分为如下过程：1. 进气。2. 压缩。3. 做功。4. 排气。6循环过程实例：火力发电厂的热力循环。 水从锅炉中吸收热量Q1变成高温高压的蒸汽；蒸汽在

3、推动汽轮机的叶轮对外做功A2；废气进入冷凝器凝结为水放出热量Q2；泵对冷凝水做功A1将它压回锅炉中。7循环过程热循环：一定量的工作物质在一次循环过程中要从高温热库（如锅炉）吸热Q1，对外做净功A，又向低温热库（如冷凝器）放出热量Q2.8循环效率循环效率：在一次循环过程中，工作物质对外做的净功占它从高温热库吸收的热量的比率。（是热机效能的重要标志）AQQ12高温热源低温热源从图可见：9卡诺循环在一循环中，若系统只和高温热源 ( 温度 T1) 与低温热源 ( 温度 T2 ) 交换热量，这样的循环称卡诺循环。 12：气缸和温度为T1的高温热库接触，因此气体做等温膨胀，V1增大到V2。 吸热： 23：

4、将气缸从高温热库移开后不与其他物体接触，因此气体做绝热膨胀，体积变为V3，温度降到T2。 10卡诺循环 34：使气缸和温度为T2的低温热库接触，等温地压缩气体直到其体积缩小到V4。 放热： 41：将气缸从低温热库移开，沿绝热线压缩气体，直到其回到起始状态1。 在一次循环中，气体对外作的净功：在一循环中，若系统只和高温热源 ( 温度 T1) 与低温热源 ( 温度 T2 ) 交换热量，这样的循环称卡诺循环。11卡诺循环闭合条件： 1、4 点在同一绝热线上， 2、3 点在同一绝热线上， 两式相比： 12卡诺循环：效率效率： 1 2 等温膨胀过程 3 4 等温压缩过程因卡诺循环效率：13卡诺循环：效率

5、讨论：效率与理想气体的种类、M 、P 、V 的变化无关，只与 T1、T2 有关！可证：各种工质的卡诺循环的效率都等于上式， 且是实际热机效率的最大值。 提高效率的途径：提高 T1 ；降低 T2， 实用上是提高 T1 。实例：现代热电厂：T1 = 900K；T2 = 300K 理论上： 效率 65%， 实际上： 40% ， 原因：非卡诺循环，非准静态，有摩擦。 思考题14思考题P-V图中循环过程的曲线面积表示热机在一个循环中所做的净功。如果体积膨胀得大些，面积就大了，所做的净功就多了，因此热机效率也就提高了？15面积大了，净功就多了。但是，吸热时，从外面吸收的热量也多了。16致冷循环 （逆循环）

6、致冷机的工作物质作逆循环。通过外界对系统作功将系统由低温源吸收的热量传递到高温源，从而使低温源温度降低。逆循环例如：电冰箱、空调都属于致冷机。17致冷机的工作原理工作物质在压缩机A内被急速压缩成高温高压气体，送入蛇形管冷凝器(高温库)，由周围空气或冷却水冷却，而使气体在高压下凝结成高压液体。液体经过节流阀后(汤姆逊效应)，降温降压并部分汽化，在进入蛇形管蒸发器，低温低压液体从冷库吸热而使冷库降温，自身则变为低压蒸汽吸入压缩机。如此重复循环制冷。应用：利用外界的作功使热量由低温处流动高温处，获得低温。(向高温库放热)(从低温库吸热)高温高压气体高压液体低压气体低温低压液体18致冷系数致冷系数：在

7、一循环中，外界做功A外系统从低温热源提取热量 Q2，和所消耗的外功A的比值。以理想气体为工质的卡诺致冷循环的致冷系数：从图可见：AQQ12高温热源低温热源越小也越小.要从温度很低的低温热源中吸取热量，消耗的功多致冷系数：19例：6-4有一卡诺制冷机，从温度为-100C的冷藏室吸取热量，而向温度为200C的物体放出热量。设该制冷机所耗功率为15kW，问每分钟从冷藏室吸取热量为多少？每分钟作功为：所以每分钟作功从冷藏室中吸取的热量为此时,每分钟向温度为200C的物体放出的热量为解：T1=293K, T2=263K,则20奥托热机奥托热机：德国物理学家奥托发明的一种热机，以其原理制造的发动机现仍在使

8、用。奥托机的循环曲线是由两条绝热线和两条等容线构成。21例：6-5内燃机的循环之一：奥托循环。内燃机利用液体或气体燃料，直接在气缸中燃烧，产生巨大的压强而作功。内燃机的种类很多，我们只举活塞经过四个过程完成一个循环(如图)的四动程汽油内燃机(奥托循环)为例。说明整个循环中各个分过程的特征，并计算这一循环的效率。pVVV0Oabedcp0奥托机的循环曲线由：两条绝热线两条等容线绝热线22例：6-5解： 奥托循环的四个分过程如下： (1) 吸入燃料过程 气缸开始吸入汽油蒸汽及助燃空气，此时压强约等于1.0105Pa ，这是个等压过程（图中过程ab）pVVV0Oabedcp0(2) 压缩过程 活塞自

9、下向上移动，将已吸入气缸内的混合气体加以压缩，使之体积减小，压强增大，温度升高。由于压缩较快，气缸散热较慢，可看作一绝热过程（图中过程bc）23例：6-5pVVV0Oabedcp0(5) 排气过程 开放排气口，使气体压强突然降为大气压，这过程近似于一个等体过程（图中过程eb） 然后再由飞轮的惯性带动活塞，使之从下向上移动，排出废气，这是个等压过程（图中过程ba）。(3) 爆炸 在上述高温压缩气体中，用电火花或其他方式引起燃烧爆炸，气体压强随之骤增，由于爆炸时间短促，活塞在这一瞬间移动的距离极小，这近似为等体过程（图中过程cd）。(4) 作功过程 这一巨大的压强把活塞向下推动而作功，同时压强也随

10、着气体的膨胀而降低，爆炸后的作功过程(气缸散热较慢)可看成绝热过程（图中过程de）。24例题：6-5 严格地说，上述内燃机进行的过程不能看作是个循环过程。因为过程进行中，最初的工作物为燃料及空气。后经燃烧，工作物变为二氧化碳，水汽等废气，从气缸向外排出不再回复到初始状态。但因内燃机作功主要是在p-V图上bcdeb这一封闭曲线所代表的过程中，为了分析与计算的方便，我们可换用空气作为工作物，经历bcedb这个循环，而把它叫做空气奥托循环。气体主要在循环的等体过程cd中吸热（相当于在爆炸中产生的热），而在等体过程eb中放热（相当于随废气而排出的热），设气体的质量为M，摩尔质量为Mmol，摩尔定体热容

11、为Cv，则在等体过程(爆炸)cd中，气体吸取的热量Q1为pVVV0Oabedcp025例题：6-5在等体过程eb中放出的热量:把气体看作理想气体，从绝热过程de及bc可得如下关系所以这个循环效率:两式相减得亦即pVVV0Oabedcp026例：6-5代入效率计算式，可得实际上汽油机的效率只有25左右！pVVV0Oabedcp0散热器冷冻室蒸发器节流阀储液器压缩机200C10atm3atm700C100C2QQ1氟利昂家用电冰箱循环12A高温热源低温热源QQ(冷冻室)(周围环境)压缩机将工质蒸汽压缩，工质变成高温高压的蒸汽蒸汽在散热器（凝结器）中凝结为液体，同时放出大量的热量。液体经节流阀（汤姆孙效应）后温度下降而吸收热。28一直敞开冰箱门能制冷整个房间