循环过程和卡诺循环

§8循环过程和卡诺循环一、几个概念1.循环过程热力学系统经历了一系列热力学过程后又回到初始状态，这个过程为循环过程。2.准静态循环过程循环过程中每一个状态都是由热平衡态构成的，这个过程为准静循环过程。进行循环的热力学系统叫工作物质。3.工作物质4.正循环与逆循环•正循环P-V图循环曲线顺时针。•逆循环P-V图逆时针。oPV正循环吸Q放QWoPV逆循环吸Q放QW二、热机、热机效率1.什么是热机把热能转换为机械能的装置称为热机，如蒸汽机、内燃机等。Vop2TW1TABCD21TTabQcdQ在正循环中，系统对外作功，可提供动力能源；在逆循环中，外界对系统作功。系统向外界放出热量，使一定区域内的温度降低，可用来致冷。•循环曲线所包围的面积为系统作的净功。5.准静态循环过程的特点•经过一个循环，内能不变。oPV正循环吸Q放QW高温热源T1低温热源T2热机W放Q吸Q吸QW3.热机效率,||放吸QQW由能量守恒在热机工作的一个循环过程中，吸收的热量转化为机械功的百分比称为该热机的效率。||QQWQQ吸放吸吸适用于所有的热机。吸放QQ||112.工作示意图工作物质从高温热源吸取热量，内能增加，通过对外作功使内能减小，再通过向低温热源放热，系统内能进一步减小而回到原来的状态。功和热的量值一般均指绝对值。三、致冷机、致冷系数致冷机是逆循环工作的，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。oPV逆循环吸Q放QW例如电冰箱、空调都属于致冷机。1.什么是致冷机高温热源T1低温热源T2致冷机W放Q吸Q2.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。由能量守恒吸放QQW||WQ吸在热能转化为机械能的应用方面，到18世纪末，瓦特完善了蒸汽机，使之成为真正的动力机械，但效率很低。1824年，法国炮兵军官萨地.卡诺首先认识到蒸汽机真正的动力来源是吸的热，并提出一种理想热机，以提高热机的效率和经济效益。吸放吸QQQ||WQ吸适用于所有致冷机。3.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。高温热源T1低温热源T2致冷机W放Q吸Q四、卡诺循环的特点萨迪.卡诺是法国青年工程师、热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法，他对蒸汽机所作的简化、抽象十分彻底。提出了最简单，但有重要理论意义的热机循环——卡诺循环，并假定该循环在准静态条件下是可逆的，与工质无关，创造了一部理想的热机（卡诺热机）。卡诺循环是最简单、最基本的循环，为提高热机效率提供了指导。卡诺的目标是揭示热产生动力的真正的、独立的过程和普遍的规律。1824年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途径，揭示了热力学的不可逆性，被后人认为是热力学第二定律的先驱。1.卡诺循环是由两个(准静态)等温过程和两个(准静态)绝热过程组成2.需要两个热源，高温热源T1和低温热源T2。3.不计摩擦、热损失及漏气，视为理想热机。A—B等温膨胀B—C绝热膨胀C—D等温压缩D—A绝热压缩五、卡诺正循环—卡诺热机Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TTabQcdQ四、卡诺循环的特点现在讨论以理想气体为工作物质的卡诺循环的效率。3224lncdVMQQRTVC—D等温压缩放热Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TTabQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQD—A绝热过程214111TVTVB—C绝热过程2111lnabVMQQRTVA—B等温膨胀吸热112132VTVT4312VVVV1212111QQTTWQQT卡诺热机效率Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TTabQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ（2）只适用于卡诺机。（1）Q1指从高温热源T1吸热，Q2指对低温热源T2放热的绝对值。W指作功的绝对值。（3）卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关。214111TVTV112132VTVT例2：两个循环过程，过程11—2等温、2—3绝热、3—4等压、4—1绝热。过程21—2等温、2—3’等容、3’—4等压、4—1绝热。试比较哪个过程热机效率高。PVo1234'3等温线绝热线12例1图中两卡诺循环吗？2121212T1T2W1W21WWpoVpoV2T1T2W1W3T21WW卡诺致冷机致冷系数212QQTWQQTT吸吸吸放Vop2TW1TABCD21TT2Q1Q六、卡诺逆循环—卡诺致冷机(2)只适用于卡诺机。(1)Q1指对高温热源T1放热的绝对值，Q2指从低温热源T2吸热。W指作功的绝对值。(3)卡诺机致冷系数只与两个热源的温度有关。3、提高热机效率的方法。121TT使12/TT越小越好。讨论2、卡诺热机效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。例如：波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。要提高卡诺热机效率应尽量提高高温热源温度或尽量降低低温热源温度。1、卡诺机必须有两个热源。卡诺热机的工作物质不一定是理想气体，可以是其他物质。而低温热源的温度常是室温或江、河、地下水的水温，所以，提高热机效率的主要途径是升高高温热源温度。通常，蒸汽机中加上一过热器，使湿蒸汽变为干蒸汽，不仅利于它在绝热膨胀降温后不会有水冷凝出，而且这样能有效升高蒸汽压强，以便升高蒸汽温度。目前30万kW汽轮机的蒸汽压强在20Mpa以上，蒸汽温度为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%。超大型的汽轮机的高温蒸汽将处于超临界状态，其效率将更高。蒸汽机中，工作物质水在每一次循环中都把向高温热源吸收的热量中的一部分用于气缸对外作功，其余的能量则以热量方式向低温热源释放。一般热机有蒸汽机、内燃机等。内燃机将燃料燃烧过程移到汽缸内部，与蒸汽机相比较可明显升高高温热源温度，其温度可达800℃以上，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。蒸汽机：如图，为一简单的活塞式蒸汽机的流程图。内燃机：使燃料在气缸中燃烧，以燃烧的气体为工作物质，推动活塞作功的机械。例3：奥托机的循环曲线是由两条绝热线和两条等容线构成。证明：热机效率为1211VVa1VDCBA2V吸气排气绝热线VPo内燃机主要有奥托循环与狄塞尔循环两种形式。奥托循环(定体加热循环)德国工程师奥托于1876年仿效卡诺循环设计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体及汽油蒸汽，这种内燃机也称为汽油机。解：23为等容吸热过程)(23TTCMQV吸41为等容放热过程14()VMQCTT放热机效率1QQ放吸4132()1()VVMCTTMCTT23141TTTTa1VDCBA2V吸气排气绝热线VPo21121TTVV34为绝热膨胀过程412311TVTV34121TTVV34121TTVV2314TTTT211112TVTV21TT23141TTTT1211VV12为绝热压缩过程CTV1证毕14.1811%5656.0可见K越大，效率越高。讨论：一般为8，如采用双原子分子气体为工作物质，在理想的情况下，其热机效率为：21VkV称为绝热容积压缩比但过大的K将引起所谓爆震现象，对机件保养不利。一般认为，汽油机的K不能大于10。实际的汽油机其效率低于此数，一般最高仅40%多左右。例4：狄塞尔循环(定压加热循环)曲线是由绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀和等容放热线构成。求：热机效率。狄塞尔循环(定压加热循环)德国工程师狄塞尔于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压缩到它的温度超过它自己的点火温度(例如，气缸中气体温度可升高到600-700℃，而柴油燃点为335℃)。这时燃料气体在气缸中一面燃烧，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，后改用柴油为燃料，这就是我们通常所称的柴油机。解：),(23,1TTCQmp)(41,2TTCQmV)()(41.23,21TTCTTCQQmVmp)(1)()(11231423,14,12TTTTTTCTTCQQmpmV热由于狄塞尔循环没有K＜10的限制，故其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，因而常用作大型卡车、工程机械、机车和和船舶的动力装置。111111r则,ABVrV,CBVV令定压膨胀比绝热压缩比例5：一热机以1mol双原子分子气体为工作物质，循环曲线如图所示，其中AB为等温过程，TA=1300K，TC=300K。求①.各过程的内能增量、功、和热量；②.热机效率。解：①5.05o)m(3VP等温线CABAB为等温膨胀过程0ABEK1300BATTABABQW5.05ln130031.81BC为等压压缩过程()BCVCBMUCTT)1300300(31.8251吸热ABAVVRTMlnJ24874J207755.05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT()BCCBWPVV18.31(1300300)()BCMRTT8310J5.05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT)(BCPBCTTCMQ)1300300(31.8271J29085放热或由热力学第一定律831020775BCQCA为等容升压过程0CAWCACAQUJ290855.05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT放热)(CAVTTCM②.热机效率CACAQU一个循环中的内能增量为：ABBCCAUUUU20775207750经过一个循环内能不变。吸热吸放QQ||1J20775)3001300(31.82510BCQQ放45649|29085|1J2908536.05.05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT%36吸放QQ||1CAABQQQ吸J456492487420775补充：气体制冷工质先后经压缩、冷却、节流膨胀等最后制得低温液体的制冷机称为气体压缩式制冷机。它分两种：(1)蒸汽压缩式制冷机气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀能使气体液化的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机。如冷库用的冷冻机〔以氨(沸点-33.35℃)为制冷工质〕、冰箱与空调.(2)深度冷冻制冷机若工作气体被压缩冷却到室温后经节流尚不能使气体液化，其液化温度还远低于此节流后温度，这时必须改用另一种称为深度冷冻的循环。属于这类制冷机的主要有液氮机(0.101MPa时的液氮温度为77K)、液氦机(0.101MPa时的液温度为4.2K)及制氧机。工业上制得氧气是先将空气液化，然后在气液共存情况下，借助氧沸点(90K)较高，易于冷凝，氮沸点(77K)较低易于蒸发的特点，利用分溜等方法将氧、氮分离的。电冰箱的工作原理：工作开始时，一定量工作物质(如干燥氟里昂)进入压缩机中，被绝热压缩成高温高压蒸汽，再经管道进入冷凝器，通过水或空气冷却散热变成低温高压液体，111.5,10patmTC229.1,46patmTC338.9,37.4patmTC1.5,20patmTC10C然后通过过滤器滤掉水分和杂质,流入毛细管,使其经节流膨胀变为低温低压