热机制冷机以及卡诺循环

热机制冷机以及卡诺循环主讲：王冬（50%）成员：陈亮糖（50%）目前一页\总数二十七页\编于九点2循环过程应用非常常见，如汽车发动机、蒸汽机等，还有冰箱、空调等，它们分别以不同的方式利用了不同种类的循环过程，最终具有了各自不同的功能。那么，这些机器和设备是怎样利用循环过程来达到各自的目的？对于它们什么是最关键的指标？工程师设计高性能的机器和设备以及提高其性能的依据是什么呢？

循环过程及其在工程中的应用目前二页\总数二十七页\编于九点一、循环过程1.循环过程循环过程—系统由某一状态出发，经过任意一系列的状态，最后又回到原来状态的过程。ΔE=0。2.准静态循环过程

只有准静态过程在P-V图上有对应的过程曲线。准静态循环过程对应于P-V图上一封闭的曲线。3.正循环与逆循环正循环—在P-V图上按顺时针方向进行的循环。逆循环—在P-V图上按逆时针方向进行的循环。目前三页\总数二十七页\编于九点对如图示的正循环，由1→2的膨胀过程中系统对外作正功4.正循环过程的功能转换由2→1的压缩过程中系统对外作负功正循环过程中，系统对外作的总功（净功）为：正循环可见，正循环过程中系统对外作正功。目前四页\总数二十七页\编于九点逆循环5.逆循环过程的功能转换

系统对外作的净功

W=-W1+W2<0

即外界对系统作功。系统从外界吸收的净热

Q=-Q1+Q2<0

即系统向外（高温热源）放热。由热力学第一定律，

Q=W<0，Q1=Q2+W由此可见，在逆循环过程中，外界对系统作功，把热量由低温热源传递到高温热源。那么，外界对系统作的功可使多少热量由低温热源传到高温热源呢？这就是致冷机的效率问题。目前五页\总数二十七页\编于九点二、热机效率1.热机

把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、汽车发动机等。2.热机工作特点需要一定工作物质。至少需要两个热源。工作物质作正循环。正循环目前六页\总数二十七页\编于九点3.工作示意图高温热源T1低温热源T2热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。4.热机效率热机效率

如果从高温源吸取的热量转变成的功越多，则热机效率就越大。目前七页\总数二十七页\编于九点热机：持续地将热量转变为功的机器.

工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质.目前八页\总数二十七页\编于九点三、致冷机

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。目前九页\总数二十七页\编于九点高温热源T1低温热源T21.工作示意图致冷机是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中，使低温源温度降低。2.致冷系数如果外界做一定的功，从低温源吸取的热量越多，致冷效率越大。室外室内致冷系数目前十页\总数二十七页\编于九点由能量守恒

电冰箱的工作物质为氟里昂12(CCL2F2)，氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，2005年我国将停止使用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半导体致冷已进入市场。目前十一页\总数二十七页\编于九点节流阀冷凝器压缩机冰室3.电冰箱工作原理目前十二页\总数二十七页\编于九点冰箱循环示意图目前十三页\总数二十七页\编于九点四、供暖系数

空调机不仅可以制冷，而且也可制热。将其称为热泵。高温热源T1低温热源T2室外室内

热泵是通过外界作功，将低温源（室外）的热量泵到高温源（室内），与制冷机顺序相反。目前十四页\总数二十七页\编于九点1.供暖系数如果外界做一定的功，泵到高温源的热量越多，供暖系数就越大。由能量守恒高温热源T1低温热源T2室外室内目前十五页\总数二十七页\编于九点五、Carnot循环及其效率目前十六页\总数二十七页\编于九点1.卡诺正循环与卡诺热机卡诺循环—工作物质只与两个恒温热源交换热量的循环。正、逆循环分别对应于卡诺热机和制冷机。准静态卡诺循环—由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环。2.理想气体准静态卡诺循环

及其效率在此仅限于讨论准静态卡诺循环。目前十七页\总数二十七页\编于九点正循环与功能转换吸热3-4等温收缩过程放热1-2的等温膨胀过程目前十八页\总数二十七页\编于九点2–3的绝热膨胀过程4–1的绝热压缩过程

整个循环过程中系统吸收的净热等于系统对外的功

效率目前十九页\总数二十七页\编于九点由2-3和4-1的绝热膨胀和压缩过程方程上两式相比即目前二十页\总数二十七页\编于九点可见，理想气体准静态卡诺循环的效率只由高低温热源的热力学温度决定，与具体的工作物质无关。卡诺热机的效率目前二十一页\总数二十七页\编于九点3.提高热机效率的方法。T2/T1越小越好，但低温热源的温度通常为外界大气的温度，难以人为地改变。因此通常以提高高温热源的温度来提高热机的效率。目前二十二页\总数二十七页\编于九点23解：根据卡诺热机的循环效率可得，地热发电机的热机效率为则发电机每小时对外做的功为发电机的输出功率为目前二十三页\总数二十七页\编于九点24汽车发动机—热机汽油机的循环过程一般汽车发动机的循环过程由两个等容过程和两个绝热组成，其中AB和CD为绝热过程，该循环过程决定了发动机的关键性技术指标——热机效率。V2POP1P2CDBAV1吸放目前二十四页\总数二十七页\编于九点25汽车发动的热机效率为其中，TA为燃料燃烧前的温度，

TA为燃料燃烧后的温度；V1为气体压缩前的体积，V2为气体压缩后的体积。目前二十五页\总数二十七页\编于九点26提高汽车发动机效率的途径（1）提高高温热源的温度（发动机本身的温度），陶瓷外壳的发动机（2）提高发动机的压缩比（用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积）目前二