thermal13 循环过程.ppt

1、5.8 循环过程和卡诺循环,第五章 热力学第一定律,5.1 热力学过程 5.2 功 5.3 热量 5.4 热力学第一定律 5.5 热容量 焓 5.6 气体的内能 焦耳-汤姆逊实验,5.7 TFL对理想气体的应用,等体过程（isochoric process） isovolumetric /constant-volume,二. 等压过程 （isobaric process）,三. 等温过程 (isothermal process),四. 绝热过程 (adiabatic process),5.7 热力学第一定律对理想气体的应用,五. 多方过程,思考题： 1.理想气体1: O2 ，2: He 分别经

2、历一等压过程，发现二系统吸收的热量都相同，问 (1) Cp,m1:Cp,m2 = ? (2) As1:As2 = ? (3) U1 : U2= ?,As=pV,=RT,Q1 = Q2,1Cp,m1T1 = 2Cp,m2T2,7/21RT1 = 5/22RT2,U= CV,m T,U1/ U2 = (51R T1) / (32R T2),=5As1:3As2,25:21,7:5,5:7,思考题： 2.某气体系统经历的哪一个过程的热容量为负值？ 已知过程2为绝热过程。,分析：T1-T2 = U,Q= U+As,As(1)As(2)As(3),Q(1)Q(2)Q(3),知Q(2)=0,故Q(3)0

3、又T 0 故C(3)0,0,5.8 循环过程和卡诺循环,第五章 热力学第一定律,5.1 热力学过程 5.2 功 5.3 热量 5.4 热力学第一定律 5.5 热容量 焓 5.6 气体的内能 焦耳-汤姆逊实验,5.7 热力学第一定律对理想气体的应用,*蒸汽机的工作过程 图所示为简单的活塞式蒸汽机的流程图。,C 高温热源,E 低温热源,D 汽缸,工作物质在高温热源处吸收热量增加内能，其中的一部分通过作功方式转化为机械能，其余的内能增量则以传热方式向低温热源释放，工质又回到原来的状态！,热机中的能量转化：,热机对外作功的能量来源,本节的符号规则（TSL）非TFL规则：,吸热、放热都取正值,5.8 循

4、环过程和卡诺循环,一.循环过程及其效率,二.卡诺循环及其效率,三.内燃机循环效率的计算,一.循环过程及其效率,1. 循环过程,(1) 定义：,若一系统由某一状态出发，经过任意的一系列过程，最后又回到原来的状态。,*PV图上表示为一闭合曲线,特点：,准静态循环过程,(2) 分类：,正循环：,PV图上顺时针进行的循环过程,逆循环：,PV图上逆时针进行的循环过程,正循环：,(2) 分类：,一.循环过程及其效率,2.热机效率,=,“吸收的热量有多少转化成了有用的功”,3. 致冷机的致冷系数,=,气体被压缩、冷却到室温后就能完全变为液体,然后通过节流膨胀降低温度的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机。,冷库、冰箱

5、与空调用的冷冻机。,3. 致冷机的致冷系数,家 用 电 冰 箱 循 环,散热器,冷冻室,蒸发器,节 流 阀,储 液 器,压 缩 机,20,0,C,10atm,3atm,2,Q,Q,1,氟 利 昂,5.8 循环过程和卡诺循环,一.循环过程及其效率,二.卡诺循环及其效率,三.内燃机循环效率的计算,二.卡诺循环及其效率,1. 历史背景,17751836,Simon Denis Poission 17811840,Gay-Lussac (17781850),.法国陆军工程师SadiCarnot， 18世纪末19世纪法国一显赫家族中的长子， 1796年6月1日生于巴黎， 从师于,1824年，年仅28岁的

6、法国工程师卡诺以年轻人特有的大胆设想和敏锐的思维，一下子抓住了问题的关键，论火的动力 中说：单独提供热不足以给出推动力，还必须有冷。没有冷热将是无用的。他采用科学抽象的方法，在错综复杂的客观事物中建立起理想化的模型“卡诺热机”。理想化入手 恩格斯说：“他撇开了这些对主要过程无关紧要的次要因素，而构造了一部理想的蒸汽机，这样一部机器就像几何学上的线和面一样是绝不能制造出来的。但是它按照自己的方式起了象这些数学抽象所起的同样的作用，它表现纯粹的、独立的、真正的过程。”,卡诺的贡献,卡诺的贡献,卡诺热机与其他理想模型诸如质点、刚体、理想气体、绝对黑体、理想流体、理想溶液一样都是经过高度抽象的理想客体

7、。它能最真实、最普遍地反映出客观事物的基本特征。,卡诺的贡献,1832年8月24日因染霍乱病卒。卡诺为设法提高蒸汽机的效率，创设出闻名的卡诺循环与热机，并引进了可逆性的概念。由能量守恒与当时盛行的热质说得出了有关热机效率的卡诺定理，即“在给定的两不同温度间工作的任何热机，其中可逆热机的效率最高而彼此相同，且其大小仅与该两温度有关”。这对提高热机效率和效率的极限方面，起了决定性的作用。,二.卡诺循环及其效率,2. Carnot Cycle,(1) 工质,i. g.,(2) 可逆循环过程：,1. 历史背景,二、卡诺循环及其效率,1 2 等温膨胀 2 3 绝热膨胀 3 4 等温压缩 4 1 绝热压缩

8、,A,等温膨胀,绝热膨胀,等温压缩,绝热压缩,(T1,V1,T1,V2),(T1,V2,T2,V3),(T2,V3,T2,V4),(T2,V4,T1,V1),(2) 准静态循环过程：,整个循环由两个可逆等温过程(T1T2)及两个可逆绝热过程组成。,(3) 卡诺热机的效率,V1V4 V2 V3,2-3 为绝热膨胀过程。设气体的比热容比为， T1V2-1 = T2V3-1 同理1-4 为绝热膨胀过程 T1V1-1= T2V4-1,3-4等温压缩过程中放热,1-2等温膨胀过程中吸热,(3) 卡诺热机的效率,V1 V4 V2 V3,图中两卡诺循环 吗 ？,(4) 结论,a.,卡诺热机效率只与高低温热源

9、 温度有关，而与具体的热机设计、工质为何种理想气体、 V2 /V1 V3 /V4 无关！,b.,提高效率的根本途径,低温热源常是室温或江、河、地下水的水温；升高高温热源温度。,蒸汽机中加上一过热器，使湿蒸汽变为干蒸汽，这样能有效升高蒸汽压强，以便升高蒸汽温度，而且有利于它在绝热膨胀降温后不会有水冷凝出。,目前30万KW 汽轮机的蒸汽压强在 20 Mpa以上，蒸汽温度400 以上，这种蒸汽称为亚临界状态的蒸汽，其排气温度约 200，热机效率为 35-40%。 特大型 60万KW 的汽轮机的高温蒸汽处于超临界状态，其效率将更高。 现在还有超大型的 100万KW 的汽轮机。,(4) 结论,a.,b.

10、,卡诺循环效率公式从理论上指出提高效率的 根本途径！,c.,效率为1的热机是不可能制成的！,d.,(4) 结论,d.,卡诺制冷机致冷系数为：,致冷机高温热源常是大气，系数主要取决于要达到的致冷温度T2。,表5-2.,介绍：,空调机的循环 致冷机与热泵原理的结合,5.8 循环过程和卡诺循环,一.循环过程及其效率,二.卡诺循环及其效率,三.内燃机循环效率的计算,将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机称为内燃机。 由于内燃机把燃烧移到气缸内部，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与狄塞尔循环两种形式。,三.内燃机循环效率的计算,(例题8)定体加热循环(奥托循环),德国工程师

11、奥托(Otto,)1876年仿效卡诺循环设计出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及汽油蒸汽，这种内燃机也称为汽油机。,火花塞点火式,冲程,所谓“火花塞点火式”是指: 汽油机汽缸内吸进的是来自气化器的混合气体(由汽油蒸汽和空气组成）。 按照节能要求,汽油蒸汽和空气应该成合适比例。 活塞运动到气缸内最高点时,气缸撞击火花塞,使得火花塞点火导致气体爆发,系统等体吸收燃烧热。,冲程,例题8 定体加热循环,在( 2 3 )等体吸热 Q1 。 ( 4 1 )等体放热 Q2 。 设气体定体摩尔热容为CV,m 则,因为( 1 2 )和( 3 4 )是绝热过程， 由 TV-1

12、 = 常数 可以得到,绝热压缩比,可见 r 越大，效率越高。 但过大的 r 将引起所谓爆震现象，对机件保养不利。 一般认为，汽油机的 r 不能大于10。 假设r = 7，算得奥托循环的效率为 = 55 % 实际的汽油机其效率低于此数, 一般最高仅40% 多左右。,将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机称为内燃机。 由于内燃机把燃烧移到气缸内部，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与狄塞尔循环两种形式。,三.内燃机循环效率的计算,(例题9)定压加热循环,德国工程师狄塞尔(Diesel)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

13、压缩到它的温度超过它自己的点火燃烧温度。例如，气缸中气体温度可升高到 600到700，而柴油燃点为 335。,油咀向气缸内喷柴油,柴油挥发为燃料气体,它在气缸中一面燃烧，一面推动活塞对外作功。 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。 简化循环称为狄塞尔循环也称为定压加热循环。,因为( 2 3 )是等压膨胀过程，所以有,绝热膨胀比,又因为( 3 4 )是绝热膨胀过程，所以有,定压膨胀比,绝热压缩比,又因为( 1 2 )是绝热压缩过程，所以有,故有,狄塞尔循环没有r 10 限制，故效率可大于奥托循环。柴油机比汽油机笨重而能发出较大功率，常用作大型

14、卡车、工程机械、机车和和船舶的动力装置。,r =V1/V2 为绝热容积压缩比，越大效率越高,习题： 1，2，3， 5，6，7，8，10， 13，14，15，16，17， 30，31，33,LX5-1 一卡诺热机的低温热源的温度是7C，效率为40%，若要将其效率提高到50%，问高温热源的温度应提高多少？,解： 设高温热源的温度分别为T1和T1， 低温热源的温度为T2=7+273=280K，则有,LX5-2 空气=103mol，Cp,m=29.2J mol-1 K-1 pA=1.01x105Pa TA=273K, VA=22.4m3,VB=44.8m3 =？,等温线,解：等压过程A-B中，气体所吸收的热量：,解：,LX5-2 空气=103mol，Cp=29.2J mol-1 K pA=1.01x105Pa TA=273K,VA=22.4m3,VB=44.8m3 =？,等容过程BC中，气体所放出的热量：,解：,LT5-2 空气=103mol，Cp=29.2J mol-1 K pA=1.01x105Pa TA=273K,VA=22.4m3,VB=44.8m3 =？,