4-5循环过程 热机解析
热机和循环过程的效率分析
热机和循环过程的效率分析热机是利用热量转化为功的装置，广泛应用于各个领域，如汽车发动机、电厂的蒸汽涡轮机等。
循环过程是热机运行的基本方式，包括循环过程中的各个步骤和所涉及的热与功的转化。
本文将对热机的效率以及循环过程的效率进行详细分析。
一、热机效率的定义和计算公式热机效率是衡量热机能量利用效率的重要指标。
热机的效率定义为输出的功与输入的热量之比，计算公式如下：η = W/QH其中，η代表热机效率，W表示输出的功，QH表示输入的热量。
热机效率的计算需要考虑热机循环过程中涉及到的各个步骤和热量的转化情况。
在实际运行中，由于能量转化过程中会存在能量损失，所以热机的效率一般小于1。
二、理想热机的效率理想热机是指在假设条件下完全没有能量损失的热机。
根据热力学的理论分析，理想热机的效率只取决于热源的温度差异，与具体的工作物质无关。
在热力学中，理想热机的效率可以通过卡诺热机的效率来进行计算。
卡诺热机是一种理想化的循环过程，由绝热过程和可逆等温过程组成。
卡诺热机的效率只与热源的温度有关，计算公式如下：ηC = 1 - TL/TH其中，ηC代表卡诺热机的效率，TL表示低温热源的温度，TH 表示高温热源的温度。
三、热机实际效率与卡诺热机的关系热机实际效率是指在实际运行中考虑了能量损失的情况下的效率。
与理想热机不同，热机实际效率与工作物质的特性、循环过程的细节都有关系。
热机实际效率与卡诺热机的效率之间存在一定的关系。
根据卡诺定理，不管工作物质的种类如何，任何一台工作在相同高温和低温热源下的热机的效率都不会超过卡诺热机的效率。
这是因为卡诺热机是一种完全无损耗的理想化循环过程，所以其效率是热机能够达到的上限。
实际工程中的热机效率一般不会达到卡诺热机的效率。
这是因为在热机的循环过程中会涉及到各种能量损失，如机械摩擦、热量散失等。
为了提高热机的效率，需要通过改进设计和运用高效的工作物质等手段。
四、循环过程的效率循环过程的效率是指在热机循环过程中能量转化的效率。
热力学循环中的热机效率分析
热力学循环中的热机效率分析热力学循环是探讨能量转化过程的重要研究领域，其中热机效率是评估热力学循环性能的重要指标。
本文将从热力学的角度，深入分析热机效率的定义、计算方法和提高途径。
一、热机效率定义热机效率是指能量从低温热源传递到高温热源时，热机所能实现的能量转化效率。
它的定义可以用下式表示：η = 1 - Qc / Qh其中，η表示热机效率，Qc表示热机从高温热源吸收的热量，Qh表示热机向低温热源放出的热量。
熵增原理表明，热量会自发地从高温物体传递到低温物体，因此Qc小于0，Qh大于0，所以热机效率永远小于等于1。
二、热机效率计算方法根据热力学循环的特性，可以通过多种方法计算热机效率。
最常用的方法是根据热机的工作物质和循环过程，采用Carnot循环效率进行计算。
Carnot循环是一个理想化的循环过程，由绝热过程和等温过程组成。
根据热力学第一定律和热力学第二定律，Carnot循环效率可以表示为：ηCarnot = 1 - Tc / Th其中，Tc表示绝热过程的冷端温度，Th表示等温过程的热端温度。
Carnot循环效率是任何热力学循环所能达到的最大效率，而实际循环则往往小于Carnot循环效率。
三、热机效率的提高途径提高热机效率是研究热力学循环中的重要问题，这对于能源利用和环境保护都具有重要意义。
以下列举几种提高热机效率的途径：1. 提高工作物质的特性：优化工作物质的热力学性能，比如选择高热导率、低粘度和低熵增等特性的物质，可以提高热机效率。
2. 优化循环过程：通过合理设计循环过程，减小机械损失和热损失，提高工作物质的有效功率输出，进而提高热机效率。
例如，可以增加压缩机和涡轮机的效率，减小传热和传质过程中的熵增。
3. 提高工作温差：热机效率与热源温度差成反比，因此提高热源温度差可以有效提高热机效率。
有多种方法可以实现这一目标，例如采用多级循环、采用高效传热装置等。
4. 应用废热利用技术：利用废热进行能量回收，提高工作物质的平均温度，从而提高热机效率。
4-5循环过程 热机
Q Q2
'
e 1 ' e 1 7 Q 2.2 10 J Q1 Q2 e e
保持冰箱在 5 C 至20 C 之间运转, 每天需作功
A Q1 Q2 Q1 Q ' 0.2 107 J
A 0.2 107 P W 23W t 24 3600
T1 1 V 1 0 T1V 2V0 T T2 V
1
p
34为绝热膨胀过程
T4 1 V0 1 T3V0 4V T T3 V
1
T4 T1 T3 T2
3 Q1 绝热 4 Q2 2
o
绝热
V0
1
V
V
V ( 1) V0 ( 1) T4 T1 1 ( ) 1 ( ) 1 V0 T3 T2 V V －－体积压缩比 54% 实际只有25% V0 15
M CV ,m (T4 T1 ) Q2 Q41 CV ,m (T1 T4 ) M mol M mol T4 T1 Q2 1 循环效率 1 T3 T2 Q1
第四章 热学基础 14
14
41为等容放热过 程 M
o
绝热
V0
1
V
V
12为绝热压缩过程 TV 1 C
D — A 绝热过程
V1 T1 V4 T2
1
1
第四章 热学基础 9
9
p p1
p2 p4
A
T1 T2
Qab
T1
D B
V2 V3 V1 V4
卡诺热机效率
A
C
p3
o V1 V4
Qcd T2
工程热力学-5-热力循环与热工设备简介
10
进气冲程
活塞被曲轴带动由上止点向下 上止点移动。 进气门开启，排气门关闭。 活塞上方的容积增大，气缸内 的气体压力下降，形成一定的 真空度。 由于进气门开启，气缸与进气 管相通，混合气被吸入气缸。 当活塞移动到下止点时，气缸 内充满了新鲜混合气以及上一 个工作循环未排出的废气。
7
内燃机的基本构造
气缸体 活塞 连杆 曲轴 飞轮 配气机构 进、排气阀 凸轮轴 火花塞
8
第5章 热力循环与热工设备简介
5-1 内燃机的特点及类型 5-2 内燃机的基本构造 5-3 内燃机的工作过程与原理 5-4 内燃机的理想循环
9
内燃机的工作原理
四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程，它 由进气、压缩、膨胀、排气四个冲程组成。
表示定压加热时工质体积膨胀的程度。
20
混合加热循环热效率
单位质量工质的吸热量：
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
单位质量工质的放热量：
q2 cv T5 T1 wnet q1 q2 q2 1 循环热效率：t q1 q1 q1 T5 T1 1 T3 T2 T4 T3
压燃式内燃机压燃式内燃机点燃式内燃机点燃式内燃机77554内燃机的理想循环内燃机的理想循环553内燃机的工作过程与原理内燃机的工作过程与原理551内燃机的特点及类型内燃机的特点及类型552内燃机的基本构造内燃机的基本构造热力循环与热工设备简介88内燃机的基本构造气缸体气缸体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴飞轮飞轮配气机构配气机构进排气阀进排气阀凸轮轴凸轮轴火花塞火花塞99554内燃机的理想循环内燃机的理想循环553内燃机的工作过程与原理内燃机的工作过程与原理551内燃机的特点及类型内燃机的特点及类型552内燃机的基本构造内燃机的基本构造热力循环与热工设备简介1010内燃机的工作原理四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程它四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程它进气压缩压缩膨膨胀胀排气排气四个冲程组成
Chap4-5
Q2 T2 S3 S2 循环放热量 循环吸热量 Q0 T1 S1 S 4 循环的ΔH = 0，故循环所做的功净功为
WN
Q (Q
0
Q2 ) T2 T1 S2 S3 T2 T1 S1 S4
WN 0
蒸汽动力循环：用蒸汽将热转化为功的循环
一、卡诺循环：
卡诺循环是热功转化效率最高的循环。 卡诺热机。整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、 放热。蒸汽动力循环是将热能转化为功。最早的提出效率 最高的是卡诺循环。
T—S图对卡诺循环应用：整个卡诺循环由两个等温过 程和两个等熵过程组成，而且每一过程均为可逆。
蒸发器臵于低温系统，冷凝器防止高温环境，利用制冷机的相 变化来实现低温吸热和高温放热。
1-2： 绝热可逆压缩, 从T1升温至T2，制冷剂等熵压缩，消耗 外功； 2-3： 等温可逆放热，制冷剂在温度T2下等温放热； 3-4： 绝热可逆膨胀，从T2降温至T1，制冷剂等熵膨胀，对外 作功。 4-1； 等温可逆吸热，制冷剂在T1下等温吸热，最后回到初始 状态1. 逆卡诺循环中，功和热的关系和正向循环一样,不过符号相反， 净功和净热符号都是负的。
W
它的意义在于：提供了一个实际热机与之比较的最高标准。
二、朗肯循环：（朗肯蒸汽动力循环的简称）
图4-16 理想的Rankine循环及其在T-S图上的表示
1、高温吸热：1 4
Q1 H H 4 H1
2、膨胀做功： 过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀至冷凝压力，即等熵过程。 要求： 温蒸汽干度 90% 膨胀过程所做轴功：
q0 H1 H 4 H1 H 3 WS H 2 H 1 H 2 H 1
大学物理(13.4.1)--循环过程
一、循环过程的定义及其特点1．定义：工作物质的状态经过一系列变化过程后，又回到原来状态的过程称为热力学系统的循环过程，简称循环。
2．特点：1）系统的内能没有变化 0=∆E 2）如果组成某一循环的各个过程都是准静态过程，则此循环过程可以用P —V 图上的一条闭合曲线来表示。
系统完成一个循环所做的净功等于P —V 图上循环过程曲线所围的面积。
二、循环过程的分类及其应用1．正循环：在P —V 图上按顺时针方向进行的循环过程。
热机：工作物质作正循环的机器。
1）工作原理：从高温热源吸收热量Q 1，一部分用来对外做功W ，一部分向低温热源放出热量Q 2（在计算中取正值）。
2）循环的效率：1211 Q Q Q W －＝＝η吸收同样多的热量，对外界作的功越多，表明热机把热量转化为有用功的本领越大，效率就越高。
2．逆循环：在P—V 图上按逆时针方向进行的循环过程致冷机：工作物质作逆循环的机器。
1）工作原理：从低温热源吸收热量Q 2，外界做功W ，向高温热源放出热量Q 1。
2）制冷系数：2122Q Q Q W Q e －＝＝三、卡诺循环1．卡诺循环1）定义：卡诺循环：两个等温过程和两个绝热过程组成的循环。
2）分类正循环——卡诺热机逆循环——卡诺制冷机2．卡诺热机的效率1）卡诺热机的四个过程中功、内能增量和热量（1）AB:等温膨胀过程，内能变化为零，吸收的热量全部用来对外做功12111ln V V RT M m Q W == （1）（2）BC 绝热膨胀过程：系统不吸收热量，对外所作的功等于系统减少的内能 )(21,2T T C Mm E W m V -=∆-= （2）（3）CD 等温压缩过程：内能变化为零，外界对系统做功等于向低温热源放出的热量 34223ln V V RT M m Q W ==-－ （3）（4）DA 绝热压缩过程：系统不吸收热量，外界对系统做功等于系统增加的内能 )(21,4T T C Mm E W m V -=∆=－ （4）把以上四式左、右两边相加得系统对外界所作的净功为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=432121ln ln V V T V V T R M m W －总的内能变化 0＝E ∆从高温热源吸收的热量1211ln V V RT M m Q =向低温热源放出的热量4322ln V V RT M m Q =2）卡诺热机的效率由热机效率定义： 121432121ln ln11V V T V V T Q Q Q W -=-==η应用绝热方程const T V =-1γ得BC 过程 213112T V T V --=γγDA 过程 214111T V T V --=γγ两式相除得4312V V V V = 因而 121 T T －＝η——仅适宜卡诺热机3）说明：（1）要完成一个卡诺循环必须有个热源。
热力循环原理
热力循环原理热力循环是一种基于热力学原理的工程循环过程，用于转化热能为机械能或其他形式的能量。
本文将介绍热力循环的原理、工作过程和相关应用。
一、热力循环原理概述热力循环是一种能量转化过程，利用工质在不同温度水平之间的膨胀和压缩来实现能量转移。
通过热力循环，从高温热源中吸收热量，经过工作介质的物理或化学变化，最终将一部分热量转化为机械能或其他形式的能量，然后将余热排放到低温环境中。
该过程可用一组相互作用的装置来实现，如压缩机、汽轮机、燃气轮机等。
热力循环的原理是基于卡诺循环的理论，在卡诺循环中，通过两个等温过程（热源温度Th和冷源温度Tc）和两个绝热过程构成一个理想循环。
该理论指出，能量从高温热源转移到低温环境时，系统获得的最大可利用功率由热机效率决定，热力循环的目标就是尽量接近这个理论上限。
二、热力循环的工作过程1. 接收热能：热力循环开始时，工质通过热交换器从高温热源中吸收热量。
2. 膨胀过程：吸热后的工质进入膨胀机（如涡轮机或活塞机），通过膨胀过程将热能转化为机械能。
3. 冷却：工质经过膨胀后，需要冷却回到低温状态。
这通常通过冷却器来实现，在冷却器中，工质与低温环境交换热量，使工质的温度下降。
4. 压缩过程：冷却后的工质由压缩机（如活塞压缩机或离心压缩机）进行压缩，使其恢复到原始状态，同时也给介质提供了一定的压力能。
5. 完成循环：经过压缩后的工质再次进入热交换器，循环开始重新吸收热能，并继续产生机械功。
三、热力循环的应用1. 蒸汽循环：蒸汽循环是一种常见的热力循环，广泛应用于火力发电厂。
其基本原理是将水加热为蒸汽，再通过蒸汽轮机将热能转化为机械能。
2. 燃气循环：燃气循环是利用燃气燃烧释放的热能驱动燃气涡轮机工作的循环过程。
燃气循环具有高效率和较低的排放特点，被广泛应用于燃气发电站和航空发动机等领域。
3. 制冷循环：制冷循环是通过机械能来提供制冷效果的热力循环，主要应用于制冷设备中，如家用冰箱、空调等。
中考复习热机知识点总结
中考复习热机知识点总结热机是一种能量转换设备，它将热能转化为机械能。
热机的运行原理和性能特征是物理学和工程学的重要研究内容，在中等学校的物理课程中也有所涉及。
下面，我们将对热机的知识点进行总结，以帮助同学们更好地复习和掌握相关知识。
1. 热力学循环热力学循环是热机运行的基础。
它是指热机工作物质在一定序列下的变化过程，这一过程可以描述为系统状态的一系列变化。
热力学循环有很多种类，包括卡诺循环、斯特林循环、布雷顿循环等。
这些循环在不同条件下能够实现不同的热机效率和工作特性，通过对不同循环过程的分析，可以揭示热机的性能特点。
2. 卡诺循环卡诺循环是理想热机的模型，它的热机效率是所有可能热机中最大的。
卡诺循环由等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩四个过程组成，这些过程分别对应于热机的工作状态。
卡诺循环的热机效率只依赖于工作物质的两个绝对温度，这一特性决定了卡诺循环是理论上最理想的热机。
3. 热机效率热机效率是热机性能的一个重要指标，它指的是热机输出的功与输入的热量之比。
在实际热机中，由于不可避免的摩擦、传热损失等原因，热机效率往往小于卡诺循环的理论值。
通过改进设计、提高工作条件等方式，可以提高热机效率，使其更加接近理论极限。
4. 热机的应用热机广泛应用于能源生产和利用领域。
蒸汽轮机是目前最常见的热机设备，它通过燃烧燃料，产生高温高压蒸汽，驱动轮机实现功的输出。
除此之外，内燃机、燃气轮机等也是热机的典型应用。
这些设备在发电厂、船舶、飞机、汽车等领域得到广泛应用，成为现代工业生产的重要动力来源。
5. 热机的环境影响热机的运行不仅能够提供动力，还会产生废热和废气等环境影响。
大量的废热排放不仅浪费了能源，还会对环境造成一定的污染。
为了减少这些负面影响，人们提出了各种节能减排的技术和措施，如余热利用、低排放燃烧技术等，以提高热机的能效和环保性能。
6. 热机的发展趋势随着能源需求不断增长和环境问题愈发严重，热机技术也在不断发展和变革。
4-5循环过程 热机
D→A ABCD
150
0
循环效率 ＝
150
25% 第四章 热学基13础
4－5 循环过程 热机
例 4-3 作卡诺循环的热机,高温热源温度是 400 K ,每
一次循环从高温热源吸进 100 J 的热量,并向低温热源放
出 80 J的热量.求：
（1）低温热源的温度；
（2）热机效率.
解 (1)对卡诺循环
Q2 T2 Q1 T1
T1
T3 W1
W2 T2
O
V
1 2
第四章 热学基12础
4－5 循环过程 热机
思考
p
例 一定量理想气体的
A 等温
B
循环过程如 P － V 图所示，
D
请填写表格中的空格.
o
绝热
C V
过程 内能增量Δ E/J 作功 A/J 吸热 Q/J
A→B
0
50
50
B→C
-50
50
0
C→D
-100
-50
-150
T2
Q2 Q1
T1
80 100
400
K
320
K
(2)卡诺热机效率
1 Q2 1 80 20%
Q1
100
第四章 热学基14础
从低温热源吸收热量 Q2 向高温热源放出热量 Q1
热泵性能系数
HP
Q1 A
Q1 Q1 Q2
第四章 热学基7础
4－5 循环过程 热机
四、卡诺循环
卡诺循环：由两条等温线和两条绝热线构成的 循环过程.
卡诺正循环，又称为卡诺热机。
热机知识点总结
热机知识点总结
热机是一种将内能转化为机械能的装置，其工作原理基于热力学原理。
以下是对热机知识点的一些总结：
1.热机原理：热机的原理是将内能转化为机械能。
在热机中，燃料与空气混合并点燃，产生高温高压的燃气，推动活塞做功。
2.热机效率：热机的效率是指热机输出的机械能与输入的燃料内能之比。
由于不可避免的摩擦和热量损失，热机的效率总是小于1。
3.热力学第一定律：该定律描述了能量转换的方向和数量。
它指出，能量不能从无能量之处产生，也不能消失，只能从一种形式转换为另一种形式。
4.热力学第二定律：该定律描述了热现象的方向性。
它指出，热量不可能自发地从低温物体传导到高温物体，或者从单一热源吸收热量并完全转化为有用功而不产生其他影响。
5.蒸汽机：蒸汽机是最早的热机之一。
它通过燃烧燃料产生高温高压的蒸汽来推动活塞做功。
蒸汽机的效率较低，但可用于大型设备和船舶等。
6.内燃机：内燃机是现代最常见的热机之一。
它通过点燃燃料在汽缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。
内燃机的效率较高，适用于各种车辆和机械设备。
7.喷气发动机：喷气发动机是一种用于飞机和火箭的燃气轮机。
它通过燃烧燃料产生高速气流来推动涡轮旋转，进而驱动飞机或火箭前进。
8.热力学过程：热力学过程是指热力学系统从一种状态到另一种状态的变化过程。
这些过程包括等温过程、绝热过程、多方过程等。
9.热力学循环：热力学循环是指热力学系统经过一系列变化后回到初始状态的过程。
循环过程包括吸热、膨胀、做功、放热和压缩等阶段。
热力学循环热机的能量转化过程
热力学循环热机的能量转化过程在热力学领域中，热机是一个能够将热能转化为机械能的装置，而热力学循环热机则是在循环过程中将热能转化为机械能的热机。
热力学循环热机的能量转化过程在工程应用中起到至关重要的作用。
本文将探讨热力学循环热机的能量转化过程以及其在实际应用中的一些应用。
1. 热力学循环热机的基本原理热力学循环热机的基本原理是根据热力学第一定律，即能量守恒定律。
它说明了能量在一个封闭系统中的转化和传递过程。
热力学循环热机的能量转化过程可以分为四个基本步骤：吸热、膨胀、冷却和压缩。
2. 吸热过程吸热是热力学循环热机中的第一个步骤，它发生在热源和工作物质之间的接触过程中。
在吸热过程中，热源传递热量给工作物质，使其温度升高。
吸热过程中，热能被转化为工作物质的内能。
3. 膨胀过程膨胀是热力学循环热机中的第二个步骤。
在这个过程中，高温和高压的工作物质通过扩展机构进行膨胀。
在膨胀过程中，工作物质的内能转化为机械能，推动机械装置进行工作。
4. 冷却过程冷却是热力学循环热机中的第三个步骤。
在这个过程中，热机排出的废热通过冷却介质或冷却装置散热到环境中，使得工作物质的温度降低。
冷却过程中，热能被转化为环境中的热量。
5. 压缩过程压缩是热力学循环热机中的最后一个步骤。
在这个过程中，工作物质被压缩到初始状态，以便再次进行循环。
在压缩过程中，机械能被转化为工作物质的内能。
6. 热力学循环热机的应用热力学循环热机在实际应用中有着广泛的应用。
其中最常见的是蒸汽发电厂，其利用水蒸汽通过循环热机的能量转化过程，将热能转化为电能。
此外，内燃机、燃气轮机等也是常见的应用热力学循环热机的装置。
总结：热力学循环热机的能量转化过程是通过热源、膨胀、冷却和压缩四个基本步骤完成的。
其中，热能通过吸热和冷却过程转化为工作物质的内能和环境中的热量，而在膨胀和压缩过程中，工作物质的内能则被转化为机械能。
热力学循环热机的应用广泛，包括蒸汽发电厂、内燃机和燃气轮机等。
4.5循环过程卡诺循环讲解
0 V1 d
A
c V2 V
热机：循环沿顺时针方向，正循环(热循环)，系统对 外界做净功 A； 致冷机：循环沿逆时针方向，逆循环（致冷循环）, 外 界对系统做净功 A 。
循环过程系统总吸热为 Q1
p
a
Q1
b
循环过程系统总放热为 Q2
例7.有一卡诺循环，当热源温度为 100℃，冷却器温度为 0℃ 时，一循环作净功 8000J，今维持冷却器温度不变， 提高热源温度，使净功增为 10000 J。若此两循环都工作 于相同的二绝热线之间，工作物质为同质量的理想气体， 则热源温度增为多少?前后效率分别为多少？
Q2 T2 解： Q1 T1
Q2 T2 Q2 A T1
Q2 T 2 Q2 A T1
Q1
Q2
T1
T1 398.15K
T2
Q2
T2 273 26 .8% 1 升温前： 1T1 373
T2 31.4% 升温后： 1 T1
奥托(N.A.Otto)循环:
汽车四冲程发动机中的循环过程为奥托循环
Q2
V
V2
进气门
V1
进气
压缩
例 8a: 奥托循环的效率 燃烧汽油的四冲程内燃机进行的循环过程叫奥托循环。它由两条 绝热线和两条等容线组成。如图。 ab段：将空气和汽油的混合气体进行绝热压缩。 bc 段：压缩到体积 V2 时点火，混合气体急速升温 ( 等容升温 ) ， 吸热 Q1。 cd段：混合气体绝热膨胀，推动活塞做功 W1。 da段：等容放热（实际上是将废气从气缸中排出去,把热量带走， 最后进入大气，下一循环吸入同样体积的冷空气）。 状态 a: T1 ,V1 ； b: T2 , V2 ； c: T3 , V2 ； d: T4 , V1.
工程热力学主要循环图示
通过循环图示分析热泵的工作原理，实现低品位热能的回收利用。
热管技术
利用循环图示研究热管技术，实现高效传热和节能。
环保技术
废热处理
利用循环图示分析废热处理过程中的能量转换和利用，降低环境污 染。
温室气体减排
通过循环图示研究温室气体减排技术，减少温室气体排放。
工业废水处理
利用循环图示分析工业废水处理过程中的能量转换和利用，实现废水 零排放。
影响因素
热效率受到工质的选择、循环过程的设计、实际运行条件等因素 的影响。
机械效率
01
机械效率
表示循环过程中机械能转换为输 出功的效率，是评价机械发动机 性能的重要指标。
计算公式
02
03
影响因素
$eta_{mech} = frac{W_{net}}{W_{net} + Q_{in}}$。
机械效率受到工质的选择、循环 过程的设计、实际运行条件等因 素的影响。
THANKS
感谢观看
循环效率受到多种因素的 影响，如循环过程的设计、 工质的选择、实际运行条 件等。
热效率
热效率
表示循环过程中热能转换为机械能的效率，是评价热力发动机性 能的重要指标。
计算公式
$eta_{th} = frac{W_{net}}{Q_{in} - Q_{out}}$，其中 $Q_{out}$为循环中输出热量。
对于封闭系统，热量自发地从低温流向高温，而不是相反方向。
03
循环图示的解析
循环效率
循环效率
表示循环过程能量转换的 完善程度，是评价循环过 程性能的重要参数。
计算公式
$eta
=
frac{W_{net}}{Q_{in}}$，
热机的工作原理与效率
热机的工作原理与效率热机作为一种能够把热能转化为机械能的设备，对于现代工业和日常生活来说具有重要的意义。
它们的工作原理和效率是我们理解和应用热机的基础。
本文将介绍热机的工作原理、效率计算及其与可持续发展的关系。
一、工作原理热机的工作原理基于卡诺循环的理论基础，该理论提供了热机的理想性能参考。
卡诺循环是一种理想化的热力循环，由两个等温过程和两个绝热过程组成。
在等温过程中，系统与热源和冷源接触，通过吸热与放热来保持温度不变；在绝热过程中，系统与外界不进行热交换，从而实现热能转化为机械能。
热机的工作原理可简化为以下几个步骤：1. 吸热过程：热机从热源吸收热量，使工质温度升高；2. 膨胀过程：通过传递热量和执行外部功，工质进行膨胀；3. 放热过程：热机向冷源放出热量，使工质温度降低；4. 压缩过程：通过吸收外界做功和放出热量，工质被压缩至初始状态。
通过这一循环过程，热机能够将热能转化为机械能，实现功的输出。
二、效率计算热机的效率是衡量热能转化效果的重要指标。
效率表示热能转化为机械能的比例，计算公式为：效率 = 机械功输出 / 吸收的热量卡诺循环的效率被定义为理论上最高的效率，称为卡诺效率。
卡诺效率与温度有关，可以用公式表示为：卡诺效率 = (T1 - T2) / T1其中T1为热机吸热过程的绝对温度，T2为放热过程的绝对温度。
在实际情况下，由于各种内部损耗和热交换过程中的不可逆性，热机的效率一般低于卡诺效率。
实际效率通常通过热机的输出功和输入热量计算得出。
三、热机效率与可持续发展热机的效率不仅对于热机本身的性能评估具有重要意义，也与可持续发展目标密切相关。
高效能的热机能够充分利用能源资源，减少能源浪费和环境污染。
提高热机效率的方法包括降低内部损耗、改善燃烧过程、利用余热回收等。
在工业生产中，采用余热回收装置可以将工质排出的废热重新利用，提高能源利用效率。
此外，优化燃烧过程、减少能源消耗也是提高热机效率的重要途径。
5-4循环过程 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 . 太原理工大学物理系李孟春编写
一 循环过程 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的 状态的过程叫热力学循环过程 . 特征
E 0
p
A
c
A
d
热力学第一定律 Q A 净功 A Q1 Q 2 Q 总吸热
B
VB V
Q1
Q2
B
VB V
W
d
Q2
o
VA
低温热源
热机（正循环） A 0 热机效率
A Q1 Q1 Q 2 Q1 1 Q2 Q1
太原理工大学物理系李孟春编写
2.逆循环
p
A
高温热源
c
W
d
Q1
B
VB V
致冷机
Q2
A
o
VA
低温热源
致冷机（逆循环） A 0 致冷机致冷系数
Q2 A
Q2 Q1 Q 2
讨论
1) 卡诺热机的效率只与T1、T2 有关，与工作物 无关,与气体的质量无关，与P、V的变化无关。 2) 提高效率的途径：提高T1 ；降低T2，实用上 是提高 T1 。 T
1
2
T1
3)现代热电厂：T1 = 900K；T2 = 300K 理论上： ~ 65%，实际上： 40% ， 原因：非卡诺循环，非准静态，有摩擦。 太原理工大学物理系李孟春编写
V
V3
p3
o V1 V 4
Q1 T2
V2
D — A 绝热压缩
Q1 M M
m ol
A — B 等温膨胀吸热
R T1 ln
V2 V1
工程热力学和传热学课后答案解析(前五章)
第一篇工程热力学第一章基本概念一．基本概念系统：状态参数：热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程：可逆过程：循环：可逆循环：不可逆循环：二、习题1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。
（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度?3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。
试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。
试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。
（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。
（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。
（2）绝热系统。
注：不是封闭系统，有电荷的交换（3）绝热系统。
图1-15．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。
（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。
耗散效应（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。
可逆（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。
可逆（4）100℃的水和15℃的水混合。
有限温差热传递6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa；表B的读数为170kPa，表示室I压力高于室II的压力。
大气压力为760mmHg。
试求:（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；（2）表C的读数；（3） 圆筒顶面所受的作用力。
图1-2第二章 热力学第一定律一．基本概念功： 热量： 体积功： 节流：二．习题1．膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？ 2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。
循环过程卡诺循环热机效率致冷系数
循环过程卡诺循环热机效率致冷系数循环过程：循环过程是指在热力学中，物质从一个初始状态经历一系列变化，最终回到初始状态的过程。
在循环过程中，物体的热量和功都会发生变化。
循环过程可以分为两种类型：1.过程内不能发生传热（绝热）；2.过程内可以有传热。
对于绝热过程，热量不会通过物体的边界传递。
在这种情况下，系统内能的增量完全来自于对外做功或从外界接收的做功。
对于有传热过程，系统可以与周围环境进行热量交换。
在这种情况下，系统的内能的增量来自于对外做功和通过传热所吸收或散发的热量。
卡诺循环：卡诺循环是一种理想的热机循环过程，由法国物理学家卡诺在19世纪中期提出。
卡诺循环由两个绝热过程和两个等温过程组成。
卡诺循环的四个过程如下：1.等温膨胀过程：系统与热源接触，从高温热源吸收热量Q1，温度保持不变，体积膨胀。
2.绝热膨胀过程：系统与绝热边界隔绝，不与热源接触，通过对外做功W1，使体积进一步膨胀，温度下降。
3.等温压缩过程：系统与冷源接触，向冷源释放热量Q2，温度保持不变，体积压缩。
4.绝热压缩过程：系统与绝热边界隔绝，不与冷源接触，通过对外做功W2，使体积进一步压缩，温度上升。
热机效率：热机效率是衡量热机性能的重要指标，定义为输出功率与输入热量之比。
对于卡诺循环，热机效率可以用Carnot效率公式来计算：η=1-(T2/T1)其中，η表示热机效率，T1表示高温热源的温度，T2表示低温热源的温度。
Carnot效率是一个理论上的最大效率，对任何工作在相同温度下的热机，热机效率都不可能超过Carnot效率。
致冷系数：致冷系数是衡量制冷机性能的一个重要指标，定义为制冷量与输入功率之比。
一般来说，致冷系数越大，表示制冷机越高效。
致冷系数可以通过公式来计算：β=Qc/W其中，β表示致冷系数，Qc表示制冷量，W表示输入功率。
在实际应用中，选择合适的致冷系数为高效制冷机非常重要。
通常，制冷机的功耗越低，制冷量越大，致冷系数就越高。
(大学物理课件)5循环过程
Q1
Q1
1
热机效率通常用百分数来表示。
§5.循环过程 / 二、热机效率
三、致冷机
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。
P
Q放
逆循环
W
பைடு நூலகம்Q吸
o
V
例如：电冰箱、空调都属于致冷机。
§5.循环过程 / 三、致冷系数
1.工作示意图
室外
致冷机是通过外界作功 将低温源的热量传递到
Q放M mCV,m(T1T4)
P3
绝热线
4 2
a 吸气 排气
1
o V1
V2 V
§5.循环过程 / 例：奥托机
热机效率
1
|
Q放 |
Q吸
1
m M
CV ,m (T1 T4 )
P
3
m C (T T )
M V ,m 3
2
2
绝热线
4
1 T4 T1 T3 T2
12为绝热压缩过程
a 吸气 排气
o V1
1 V2 V
EAB0
o 0.5
§5.循环过程 / 例：奥托机
B 5 V(m3)
QABWAB
m M
RTA
lnVB VA
PA
等温线 TA 1300K
18.3 113 0ln 05 0.5
C
B
Tc 30K 0
248J7吸4热
o
BC为等压压缩过程
0.5
5 V(m3)
m EBCMCV,m(TCTB)
158.31 (300 13)0 0207J75
V 1 T C V 2 1 T 1V 1 1 T 2
热机工作条件及原理
热机工作条件及原理
热机是一种将热能转化为其他能量形式的装置，它根据运行条件和工作原理的不同，可以分为各种类型的热机。
以下是热机的一些常见工作条件和原理：
1. 温度差：热机需要至少有两个不同温度的热源，其中一个温度较高，另一个温度较低。
这个温度差是热机能够进行工作的基础。
2. 热源：热机必须与热源接触，从热源吸收热量。
在汽车引擎中，燃烧室是热源，汽缸是热机与之接触的组件。
3. 工作物质：热机工作过程中需要有一个工作物质，该物质在接触热源时吸收热量，并在其他部分释放热量。
工作物质可以是气体、液体或固体，不同的热机类型使用不同的工作物质。
4. 循环过程：热机通过一个循环过程完成能量转化。
在循环过程中，工作物质经历一系列的压缩、加热、膨胀和冷却等过程。
5. 工作原理：热机的工作原理根据不同的循环过程而变化。
例如，内燃机通过燃烧燃料与氧气产生的高温高压气体推动活塞，从而转化热能为机械能。
蒸汽机则利用水蒸气的膨胀作用驱动转子运动。
在实际应用中，热机需要满足一定的效率要求，即从热源吸收的热量与所产生的功的比值。
热机效率受到Carnot 理论的约束，即没有一个热机能够达到理论上的Carnot效率。
§5-4循环过程 卡诺循环
1698年塞莱斯和1712年纽科门先后发明了蒸 汽机 ，当时蒸汽机的效率极低 .瓦特在1763～ 1781年期间对蒸汽机进行了重大改进 ，大大提 高了效率 . 从理论上研究热机效率问题， 一方 面指明了提高效率的方向， 另一方面也推动了 热学理论的发展 . 各种热机的效率 液体燃料火箭 48 % 汽油机
太原理工大学物理系
5 2 5 2
( 2 p 1V 1 p 1V 1 ) p 1V 1
2 p 1V1 ln 2
太原理工大学物理系
7
1
2 5 2
p 1V 1
1
7 5 4 ln 2
p 1V 1 2 p 1V 1 ln 2
9 .9 %
太原理工大学物理系
例3 一卡诺热机工作在T1=400K与T2=300K两 个热源之间，每一次循环对外做功8000J。若维 持低温热源温度不变，提高了高温热源的温度 后发现，每一次循环对外做净功10000J。若两 个卡诺热机工作在相同的绝热线间，求 （1）第二个热机的效率 解：第一个热机的效率
Q1
卡诺热机
Q2
A
低温热源 T 2 太原理工大学物理系
1、卡诺热机 以一理想气体为工作物质，计算卡诺循环的热 机效率。 卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。
p
p1
p2 p4
1
Q
1
T1
1 — 2 等温膨胀
2 3
2 — 3 绝热膨胀
4
A
Q2
V2
3 — 4 等温压缩
T2
V3
p3
o V1 V 4
V
4 — 1 绝热压缩
Q2 A'
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1
p
34为绝热膨胀过程
T4 1 V0 1 V0 T3 T4V T3 V
1
T4 T1 T3 T2
3 Q1 绝热 4 Q2 2
o
绝热
V0
1
V
V
V ( 1) V0 ( 1) T4 T1 1 ( ) 1 ( ) 1 V0 T3 T2 V V －－体积压缩比 54 % 实际只有25% V0 15
2
二 热机 ：持续地将热量转变为功的机器。
p
1
A0
2
o
V
工作物质：在热机中被利用来吸收热量并对外 做功的物质叫工作物质，简称为工质。
第四章 热学基础 3
3
蒸 气 机 的 工 作 示 意 图
热机效率
A Q
第四章 热学基础
4
p
热机效率如何计算？
1）分成多个等值的分过程
Q1 Qi 2）
i
(Qi 0)
o
Q2 3）
Q
j
j
(Q j 0)
A Q1 Q2 Q2 1 4） Q1 Q1 Q1
第四章 热学基础 5
5
卡诺(1800-1836) 法国青 年工程师,是热力学的创 始人之一。 他用“理想实 验”的思维方法，创造了 一部理想的热机--卡诺热 机。
6
第四章 热学基础 6
V3 ln Q2 T2 V4 1 1 Q1 T1 ln V2 V1
讨 论：
1） 卡 仅决定于
2）卡 1 ;
T2 卡 1 T1
T1、 T2 ；
T2 卡 ； 3） T1 、
4）当
T1 T2
时， 卡
0
。
第四章 热学基础 11
11
1 ? 2
常见热机的效率
柴油机
37%
汽油机 蒸汽机
25%
8%
第四章 热学基础 16
16
1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其 中 p2 2 p1 V , 4 2V1 求1—2、2—3、3—4、 4—1各过程中气体吸收的热量和热机的效率 .
例
p2 p1
P
2
Q23
解 由理想气体物态方程得
p
T2
A1
A1 A2
p
T2
A1
T1
T1
A1 A2
A2
V
A2
T1
o
1 2
o
1 2
V
12
第四章 热学基础 12
奥 托 循 环
第四章 热学基础13
13
求：奥托循环效率。
解：
p
23为等容吸热过程
M Q1 Q23 CV ,m (T3 T2 ) M mol
3 Q1 绝热 4 Q2 2
§4.3 循环过程 卡诺循环
一 循环过程
定义：系统经过一系列状态变化过程后，又回到原
来状态的过程叫热力学循环过程，简称循环 .
P
1 A0
p
1
P
1
A0
2
2
o
正循环
2
V
oV
o
V 逆循环
循环过程的特点：
(1)经过一个循环，
E ; 0
(2)循环曲线为闭合曲线；
(3)
A S闭合曲线
。
第四章 热学基础 2
M CV ,m (T4 T1 ) Q2 Q41 CV ,m (T1 T4 ) M mol M mol T 4 T1 Q2 1 循环效率 1 T3 T2 Q1
第四章 热学基础 14
14
41为等容放热过 程 M
o
绝热
V0
1
V
V
12为绝热压缩过程 TV 1 C
A ( p2 p1)(V 4 V 1) p1V 1 RT 1 RT Q Q 1 W 1 2 15.3% Q1 Q1 T1 (3CV ,m 2R)
第四章 热学基础 18
18
4 －5
循环过程 思考 例
热机 下列四个假想的循环过程，哪个可行？
p （ A）
O
等温
V2 1T1 V3 1T2
V1 T1 V4 T2
1 1
D — A 绝热过程
第四章 热学基础 9
9
p p1
p2 p4
A
Qab
T1
D
T1 T2
B
V2 V3 V1 V4
卡诺热机效率
A
C
p3
o V1 V4
Qcd T2
V2
V
V3
T2 1 T1
卡诺热机效率与工作 物质无关，只与两个热源 的温度有关，两热源的温 差越大，则卡诺循环的效 率越高 . 10 第四章 热学基础 10
p2 p4
A
Qab
T1
D
T1 T2
B
Q1
V M RT1 ln 2 M mol V1
C — D 等温压缩放热
Q2 Qcd
C
W
p3
o V1 V4
V M RT2 ln 3 M mol V4
Qcd T2
V2
V
V3
ห้องสมุดไป่ตู้
B — C 绝热过程
V3 ln Q2 T2 V4 1 1 Q1 T1 ln V2 V1
3
Q12
1
Q34
Q41
4
T2 2T1 T3 4T1
T4 2T1
Q12 CV ,m (T2 T1 ) CV ,mT1
Q23 C p,m (T3 T2 ) 2C p,mT1
17
o
V1
V4 V
Q34 CV ,m (T4 T3 ) 2CV ,mT1
p2 p1
p p1
p2 p4
A
Qab
T1
D
T1 T2
B
卡诺循环
A — B 等温膨胀
A
C
B — C 绝热膨胀
p3
o V1 V4
Qcd T2
V2
V
V3
C — D 等温压缩 D — A 绝热压缩
Q1 Qab V M RT1 ln 2 M mol V1
A — B 等温膨胀吸热
第四章 热学基础 8
8
p p1
绝热
p （ C）
绝热 绝热
V
绝热 等温
O
V
等温 绝热 绝热
p （B）
O
p
（ D）
V
三 卡诺循环
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。 p A 高温热源 T T 1 2 p1 T 1 Q 1 Q
p2 p4
1T 1
B C
p3
D
A Q2
T2
V2
Q2
V
A
o V1 V4
V3
低温热源 T2 热学基础 7
7
Q2 卡诺热机效率 卡 1 Q第四章 1
理想气体卡诺循环热机效率的计算
P
2
Q23
Q12 CV ,mT1 Q23 2C p,mT1
3
Q12
1
Q34
Q41
4
Q34 2CV ,mT1
Q41 C p,m (T1 T4 ) C p,mT1
o
V1
V4 V
Q1 Q12 Q23 CV ,mT1 2C p ,mT1
C p ,m CV ,m R