热机制冷机以及卡诺循环

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 .
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。
P
Q放
逆循环
W
Q吸
o
V
例如：电冰箱、空调都属于致冷机。
1.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。
4. 正循环过程的功能转换 对如图示的正循环，由
P 1
Q 吸 正循环
1→2的膨胀过程中系统对
外作正功
W1膨胀1曲 下 2线 的面积
由2 →1的压缩过程中系统
Q放
对外作负功
o
W2压缩曲 2下 1线 的面V积 1
W 2
V V2
正循环过程中，系统对外作的总功（净功）为：
WW1W2 闭循环曲线所围 0 面积
4
T2
o
3 V
1T2lnV (3/V4) 1 T 2
T1lnV ( 2/V1)
T1
卡诺热机的效率 1 T 2
T1
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。
3.提高热机效率的方法。
1 T2
T1
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
高温源的热量越多，供暖系
高温热源T1
数就越大。
Q1 W
由能量守恒
Q放
热泵
W
Q1WQ2
Q吸
低温热源T2
Q1WQ2 1e
WW
室外
五、Carnot循环及其效率
1.卡诺正循环与卡诺热机
P 1 等温线
卡诺循环—工作物质只与两
个恒温热源交换热量的循环。
T1
正、逆循环分别对应于卡诺
热机和制冷机。
在此仅限于讨论准静态卡诺
W V
3.工作示意图
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 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。
热机效率
W Q1
Q1 Q2 1 Q 2
Q1
Q1
高温热源T1
Q1
热机
W
Q2
低温热源T2
WQ1Q2,
1
热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .
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？
2
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。
热机制冷机以及卡诺循环
主讲： 王冬（50%） 成员： 陈亮糖（50%）
循环过程及其在工程中的应用
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
源的温度来提高热机的效率。
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
1T2 129.1850.48
T1 57.135
则发电机每小时对外做的功为
W Q 1 0 .4 8 2 1 0 1 1 J 9 .6 1 0 1 0 J
发电机的输出功率为
PW9.610102.7104kW t 3600
25
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）
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4.卡诺逆循环与卡诺制冷机
完全类似于卡诺正循环的分析，可以证明，理想 气体准静态卡诺逆循环（制冷机）的制冷系数为
eQ2 Q2 T2 W Q1Q2 T1T2
可见，正循环过程中系统对外作正功。
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。
P 1
Q放 逆循环
系统从外界吸收的净热
W
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
Q吸 o
V1
2 V
V2
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。
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。
P
正循环
Q吸
•至少需要两个热源。 •工作物质作正循环。
Q放 o
放热
3 V
W2 Q2 0
2 – 3的绝热膨胀过程 Q23 0 W23 0
4– 1的绝热压缩过程
P 1 等温线 T 1 2绝热线
Q41 0 W410
整个循环过程中系统
4
吸收的净热等于系统对外 的功
o
T2
W Q Q 1Q 2M mR T 1ln V V 1 2T 2ln V V 4 3
效率
W
T1
ln
V2 V1
T2
ln
Biblioteka Baidu
V3 V4
ln V 3 1 T2 V4
Q1
T1
ln
V2 V1
T 1 ln V 2 V1
3 V
由2 -3和4-1的 绝热膨胀和压缩过程方程
V21T1 V31T2
P 1 等温线
V11T1V41T2
T1
上两式相比
2 绝热线
1
1
VV12 VV43
即
V2 V3 V1 V4
导体致冷已进入市场。
3.电冰箱工作原理
冷凝器
节流阀 冰室
压缩机
冰箱循环示意图
四、供暖系数
室内
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
Q放
热泵
热泵是通过外界作功，
W
将低温源（室外）的热量 泵到高温源（室内），与 制冷机顺序相反。
Q吸
低温热源T2
室外
1.供暖系数
室内
如果外界做一定的功，泵到
P 1 等温线 T 1 2绝热线
2-1等温压缩放出的热量 4-3等温膨胀吸收的热量
Q1
m M
RT1 lnVV12
Q2 M mRT2 lnVV43
4 o
T2
3 V
外界对系统的功等于系 统放出的净热
W Q Q 1Q 2M mR T 1ln V V 1 2T 2ln V V 4 3
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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。
P
P1
C 吸
P2
B
O
V1
D 放
A
V2 24
汽车发动的热机效率为
1 TD TA
TC TB
1
1TA
TB
1VV12
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。
4
循环。
o
T2
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 绝热线
3 V
2. 理想气体准静态卡诺循环 及其效率
正循环与功能转换 1 2 的等温膨胀过程 Q1 M mRT1lnVV12 0 吸热
E120
P 1 等温线 T 1 2绝热线
W1Q10
3 4 等温收缩过程
4
o
T2
Q2M mR2TlnV V3 4 M mR2TlnV V4 3
室外 高温热源T1
Q1
2.致冷系数
致冷机
W
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。
Q2
低温热源T2
致冷系数 e Q 2
W
室内
e Q2 W
由能量守恒 WQ1Q2
e Q 2 Q2
W
Q1 Q2
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