高二物理竞赛循环过程 课件

1、循环过程(Cyclicalprocess)一、循环过程物质系统从某个状态出发，经过若干个不同的变化过程，又回到它的原来状态的整个过程称为循环过程，或简称循环。循环中所包括的每一个过程叫做分过程。其物质系统亦称为工作物质或简称工质。1.基本概念各种热机(或热力发动机)，如蒸汽机、内燃机、汽轮机等。工质经过周而复始的循环过程持续不断地把热转换为功。如图所示，一绝热容器分成相等的两部分，左半部充以理想气体，右半部为真空。开始时理想气体处于平衡状态。打开管闩后，气体冲入右半部，最后达到新的平衡态。这一过程称为气体向真空的绝热自由膨胀过程。自由膨胀。由于没有热量Q传递与外界做功A'，所以内能

E

保持不变

由热力学第一定律：

Q=0，即E2–E1+A=0由于气体是向真空膨胀，对外不做功，即A=0，所以E2–E1=0由于理想气体内能只包含分子热运动动能，内能不变意味着膨胀前后初态与末态温度相等，即T2=T1

；由初态、末态理想气体状态方程可得：由T2=T1

，V2=2V1说明：膨胀前后温度不变，体积增大一倍，压强减小1/2。说明：

对于实际气体（真实气体）经绝热膨胀后，温度一般不会恢复到原来温度，请读者思考这是为什么？

理想气体向真空膨胀的过程是一个理想过程，实际应用中可利用实际气体向压强较低的区域膨胀，例如将实际气体通过多孔塞流入相对压强较小的区域来改变气体的温度。为什么呢？实际气体经过绝热自由膨胀后，温度一般不会恢复到原来温度。原因是实际气体分子之间存在相互作用力，而内能中还包含分子间的势能。如果在绝热自由膨胀时，分子间的平均作用力以斥力为主（这要看分子间的平均距离是怎么改变的），则绝热膨胀后，由于斥力做了正功，分子间势能要减小。这时，内能不变就意味着分子的动能增大，因而气体的温度将升高。如果在绝热自由膨胀时，分子间的平均作用力以引力为主，则绝热膨胀后，由于引力做了负功，分子间的势能要增大。这时，内能不变就意味着分子的动能减小，因而气体的温度要降低。例3-5-1就所列各个准静态过程，填写下表中的空格(用“+”、“-”或“0”)＋－－－＋蒸汽机是加入水以蒸汽为工质的循环热机。水泵C将水箱内的水唧入锅炉B后，把水加热变成高温、高压的蒸汽，这是一个吸热使内能增加的过程。蒸汽通过管道进入汽缸D，在汽缸D内膨胀，推动活塞对外作功；同时蒸汽内能减少。在这一过程中，一部分内能通过作功转化为机械能。最后蒸汽成为废气，进入冷凝器E，在冷凝器E中通过冷却水，将废气冷却，放出热量，凝结成水，再借水泵C将水唧入水箱，并经水泵C再次将水唧入锅炉B加热，使蒸汽恢复原始状态，然后再进行第二次循环。2.热机循环的工作原理在热机的每一次循环中，工质从高温热库吸收热量，增加内能，并将一部分内能通过作功转化为机械能，另一部分内能在低温热库中通过放热（绝对值）而传给外界，使工质又回到原始状态。热机循环的p-V图如果循环过程中，各个分过程都是准静态过程，则在p-V图上，工质的循环过程可用一条闭合曲线来表示，如图所示。循环曲线abcda为一闭合曲线。循环过程的特点：工质经一循环，内能不变，ΔE=03.正循环和热机的效率上图所示的循环过程abcda，若沿着顺时针方向进行，称为正循环。注意：任何热机都是按正循环进行工作的。(1)净功：在分过程abc中，气体膨胀，系统对外界做正功，其大小A1

为abcfea所包围的面积；在分过程cda中，气体被压缩，系统对外界做负功，即外界对系统做正功，其大小(绝对值)A2

为cfeadc所包围的面积。因此，在整个正循环中，系统对外界所作的净功为A=A1–A2=p-V图上循环曲线abcda所包围的面积。因A1>A2，所以A>0，即在热机循环中，系统对外界作的净功总是正的。(2)净热量：在一个正循环中，系统从高温热库吸收的热量为Q1，向低温热库放出的热量为Q2(绝对值)，所以系统从外界吸收的净热量为：Q=Q1–Q2>0在一个正循环中，因内能不变，即ΔE=0，根据热力学第一定律可知，净热量等于净功，即A=Q1–Q2

(3)热机效率：为了表述在一个正循环中，工质所吸收的热Q1

有多少转化为有用功(即净功)A，以评价热机的工作效益，我们定义热机的效率(或正循环的效率)为：在热机循环中，工质总要向外界放出一部分热量，即Q2不能等于零，所以热机效率永远是η<1。例如，早期的蒸汽机效率仅为5%左右。4.逆循环和致冷机的致冷系数如果p-V图上循环过程总是沿着adcba逆时针方向进行的，则称为逆循环。(1)致冷机工作原理：工质作逆循环的机器叫做致冷机(如电冰箱、空调机等)。致冷机与热机的循环过程相反。即依靠外界(如冰箱的压缩机)对工质作功A，使工质由低温热库(如冰箱的冷库)吸收热量，然后向高温热库(如大气)放出热量(绝对值)，从而使低温热库的温度降低。(2)致冷机的致冷系数在致冷机内工质所完成的逆循环中，热量可以从低温热库传向高温热库，但必须以消耗外界的功为代价。由热力学第一定律，在一个逆循环中，因为ΔE=0，所以：A外

=Q1–Q2

或Q1

＝A外

+Q2

在一个逆循环中，工质从低温热库中所吸取的热量Q2

与外界对工质所作的功A外的比值称为致冷机的致冷系数以

w表示：若外界作功A外越小、从低温热库吸取的热量Q2

越多，则致冷机的致冷系数越大