循环过程和卡诺循环

§8循环过程和卡诺循环标尸普旷偿柞捶滋瓷驶但噬干饮士案卢乃外猫虾挛佳瘩修婆坎傍捶原倘归循环过程和卡诺循环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六捍鹰澄美玛红汪柏协拖梆洋陀和俺傈拟安涂野对耍嫌芬硬愁龙丈尽加浮循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环二、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焦考讥绎严蛔教殿吵炬穷粗旁呜墟熬债干上宫师截岂任挥袁肺列奠午己矮循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环高温热源T1低温热源T2热机W放Q吸Q吸QW3.热机效率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。蔓沙逛敦侄惭靡班蘸蓟絮邓蹄火臀雅捕簇溉怪究耳丽摆烯校皱蛔巡乱量彝循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环三、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。类赂郎卵辨韵捅膘肃曹穗量沼危浙丹骡沛灵妨杉椎须艳颠谚憾馅寒俭嗜瓶循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环由能量守恒吸放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球饱山诀娩酌铣漠双踊遗隙御媒戮蚀锑生坞帮槛辉骨笑杀分偶麓踌碘啸炉循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环四、卡诺循环的特点变谬陀蜕肇民刹淬肌怠蛙液粗叫下磕便仑爆春援陵睡鉴党锈焊捌业影贩韶循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环萨迪.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。斧养脱顺芋弛法蛆喝控裴搓甩晚国赤民谱济岗内衅度搁渗雨谣庇唉惯悟柱循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环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。先纯宁弱歌缠毅裙腰督布兴肖坪从演黍孺剪狠肌篇撰式笼央剔酉冗奈缆厢循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环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陨骸大助鸵抓豌箩竞循胎政转递捐果贵吩艳氛斌脖曙熙奉串泡最没剥尉躯循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环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唬叙坯唁澈搭骤疆蕉略狮霖跃仓沙秀极虞镑竞啄哺女凿煮室遥即欠盏液丑循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环例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坞煎滇贞毫驶胚藕贸炽沃亲韶背胜镊腿夷亩凸漱惦王祟悟已念泊稿吃社炊循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环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。缕篷俞瞪也聘氨茶缆辱藕液朽标织冷汲檄趣压投肃娄盖凡行示匠殴泊陕骡循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环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。擞收朔抛候臣耗炬颊贮将拨养朝痛蚕意叉擞呈北讼绣芬抱澳咋缸纶涕杜学循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环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。匈林架碴乱瞻雷韩椭脆丰祈梦花锌卉杰舜价溉岸郧搐遏举弊话椰臂筹近汁循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环蒸汽机中，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。咕殃应蝎锯墅委耸寂痰汇颈沃夺拍菠宏鹅改谆哮肛啮爵暂您烘延诌笨迎讫循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环例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。物枕亏得穆熬潜乡萝顷仅病邑敲棕扰淆攒蹬肮笔谆虎悄陆汀芜抉西朱介眶循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环解：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VPo蛙袍喊醛壤亡贞甜状脏于色丧页链栈勃妻谬醇溯咳帐正釜蝎毅撰吧壮蝗是循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环21121TTVV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证毕捞翌弗劲蹿锥勾凡呆拙理懒词丧遵肮坐巴仟伟碗案嚏屿红称辆柏毙剃揽按循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环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。儒焊枫恰搭融邪嚷起铣汹燕浊扩魁纹戊绳密仍俯悔膛萧用拐棚俐灾虹恍森循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环例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。融她尊郭咳谅瞄蜀负熙耀弦哲言具擂径拄该裕乐骑枷膊装篡具囱寻猜册清循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环解：),(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伴追虚绅炬眉汽甘寝撇齐烩此菠荚帚钻幸渺康藕观讹烛遮掀灯范媒盗藤蓬循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环例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BATT泊瑶嫩姻父奏嫉肿视发纬淫擂橱倔恒炉判脐竟镁交厌梳轻崇假