循环过程和卡诺循环

Q吸 − | Q放 | W |Q放 | η= = =1− <1 Q吸 Q吸 Q吸
吸
适用于所 有的热机。 有的热机。
三、致冷机、致冷系数 致冷机、
1.什么是致冷机 什么是致冷机 致冷机是逆循环工作的， 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。 量传递到高温源中。使低温源 温度降低。 温度降低。 例如电冰箱、空调都属于致冷机。 例如电冰箱、空调都属于致冷机。 电冰箱 2.工作示意图 工作示意图
p3
W Q1 − Q2 T1 − T2 η= = = Q1 Q1 T1
1
1
ln
V 2 T1 = V3 T2 γ −1 γ −1 V1 T1 = V4 T2
γ −1
γ −1
V1
（3）卡诺热机效率与工作物 ） 质无关， 质无关，只与两个热源的温度 有关。 有关。
例1
图中两卡诺循环
W1 > W 2
W1
η1 = η 2
Q吸正循环
Q放 W
V
T1 > T 2
二、热机、热机效率 热机、
1.什么是热机 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、 置称为热机，如蒸汽机、内燃 机等。 机等。
A Q ab
T1
D
o
W
B C
V
Q cd T2
2.工作示意图 工作示意图 高温热源T 高温热源 1 工作物质从高温热源吸取热 内能增加， 量，内能增加，通过对外作功使 Q吸 内能减小， 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 热机 W 原来的状态。 原来的状态。 Q放 3.热机效率 热机效率 在热机工作的一个循环过程 低温热源T 低温热源 2 中，吸收的热量转化为机械功的 百分比称为该热机的效率。 百分比称为该热机的效率。 W 功和热的量值一般均指绝对值 均指绝对值。 功和热的量值一般均指绝对值。 η= 由能量守恒 W = Q吸 −|Q放 |, Q
§8 循环过程和卡诺循环
一、几个概念
1.循环过程 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。 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 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。 热平衡态构成的，这个过程为准静循环过程。 3.工作物质 3.工作物质 进行循环的热力学系统叫工作物质。 进行循环的热力学系统叫工作物质。 4.正循环与逆循环 4.正循环与逆循环
内燃机主要有奥托循环与狄塞尔循环两种形式。 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 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， 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。 这种内燃机也称为汽油机。 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 证明：
P
Q放
逆循环
W
Q吸
o
高温热源T 高温热源T1
V
Q放
致冷机
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。 源中，使低温源温度降低。
W
Q吸
低温热源T 低温热源 2
3.致冷系数 致冷系数 高温热源T 高温热源 1 如果外界做一定的功， 如果外界做一定的功，从低 Q 放 温源吸取的热量越多， 温源吸取的热量越多，致冷效率 致冷机 越大。 越大。 Q吸
四、卡诺循环的特点
萨迪.卡诺是法国青年工程师、 萨迪.卡诺是法国青年工程师、热力学的创始人之 是第一个把热和动力联系起来的人。 他出色地、 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， 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， 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 卡诺循环， 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， 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， ）。卡诺循环是最简单 （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。 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 卡诺的目标是揭示热产生动力的真正的、 程和普遍的规律。1824年卡诺提出了对热机设计具有普 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， 遍指导意义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途 揭示了热力学的不可逆性， 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。 二定律的先驱。
p p1
p2 p4
A
T1 > T 2
Qab
T1
W D B C
p3
o V1 V4
Qcd T2
V2
V
V3
A — B 等温膨胀 B — C 绝热膨胀 C — D 等温压缩 D — A 绝热压缩 现在讨论以理想气体为工作物质的卡诺循环的效率。 讨论以理想气体为工作物质的卡诺循环的效率 现在讨论以理想气体为工作物质的卡诺循环的效率。
Q W 由能量守恒 W = Q放 |−Q吸 | 低温热源T2 低温热源 Q吸 Q吸 = 适用于所有致冷机。 适用于所有致冷机。 ε= W |Q放 |−Q吸
吸
ε=
W
在热能转化为机械能的应用方面， 世纪末， 在热能转化为机械能的应用方面，到18世纪末，瓦 世纪末 特完善了蒸汽机，使之成为真正的动力机械，但效率很低。 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 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， 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。 的效率和经济效益。
四、卡诺循环的特点
1.卡诺循环是由两个(准静 卡诺循环是由两个 准静 卡诺循环是由两个 等温过程和两个 态)等温过程和两个 准静 等温过程和两个(准静 态)绝热过程组成 绝热过程组成 2.需要两个热源，高温热 需要两个热源， 需要两个热源 源 T1 和低温热源 T2 。 3.不计摩擦、热损失及漏 不计摩擦、 不计摩擦 视为理想热机。 气，视为理想热机。 五、卡诺正循环—卡诺热机 卡诺正循环 卡诺热机
p
吗？
T1
p
W1 = W 2
W2
T2
W2
T1
T3
W1
T2
o
η1 = η2
V
o
η1 < η2
2
V
等温线
绝热线
例2：两个循环过程，过程 1—2 ：两个循环过程，过程1 1 等温、 绝热、 等压、 等温、2—3 绝热、3—4 等压、 P 4—1 绝热。过程 1—2 等温、 绝热。过程2 等温、 2—3’ 等容、3’—4等压、4—1 绝 等容、 等压、 等压 试比较哪个过程热机效率高。 热。试比较哪个过程热机效率高。
P
Q放
o
Q吸正循环
W
V
P
Q放
逆循环
W
Q吸
o
V
逆循环P-V图逆时针。 图逆时针。 图逆时针 •正循环 P-V图循环曲线顺时针。 图循环曲线顺时针。 图循环曲线顺时针 •逆循环
5.准静态循环过程的特点 P •经过一个循环，内能不变。 经过一个循环，内能不变。 经过一个循环 •循环曲线所包围的面积为系 循环曲线所包围的面积为系 循环曲线所 统作的净功。 统作的净功。 在正循环中，系统对外作功， 在正循环中，系统对外作功， 可提供动力能源；在逆循环中， 可提供动力能源；在逆循环中， 外界对系统作功。 外界对系统作功。系统向外界 o 放出热量， 放出热量，使一定区域内的温 度降低，可用来致冷。 度降低，可用来致冷。 p
η1 > η2
4
o
3'
3 V
六、卡诺逆循环—卡诺致冷机 卡诺逆循环 卡诺致冷机 卡诺致冷机致冷系数
p
A
T1 > T2
T1Q 1
W D B C
T2 ε= = = W Q放 − Q吸 T1 − T2
(1)Q1指对高温热源 1放热 指对高温热源T 绝对值， 的绝对值， Q2指从低温热源 T2吸热。W指作功的绝对值。 吸热。 指作功的绝对值。 指作功的绝对值 (2)只适用于卡诺机。 只适用于卡诺机。 只适用于卡诺机
p p1
A
T1 > T 2
A — B 等温膨胀吸热 等温膨胀吸
Qab
T1
W D B C V V3
Q1 = Qab
V2 RT1 ln = µ V1 M
p2 p4
C — D 等温压缩放热 等温压缩放热
p3
o V1 V4
Qcd T2
V2
V3 Q2 = Qcd = RT2 ln µ V4 M
B — C 绝热过程
一般热机有蒸汽机、内燃机等。 一般热机有蒸汽机、内燃机等。 蒸汽机 蒸汽机： 蒸汽机：如图，为一简 单的活塞式蒸汽机的流程图。 单的活塞式蒸汽机的流程图。 蒸汽机中 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， 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。 源释放。 内燃机：使燃料在气缸中燃烧， 燃烧的气体为工作 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。 物质，推动活塞作功的机械。 内燃机将燃料燃烧过程移到汽缸内部， 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， 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。 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。 环两种形式。
P
C
绝热线
Q吸
Q吸
T2
o
V
Q2
(3)卡诺机致冷系数只与两个热源的温度有关。 卡诺机致冷系数只与两个热源的温度有关。 卡诺机致冷系数只与两个热源的温度有关
讨论
1、卡诺机必须有两个热源。卡诺热机的工作物质不一定 、卡诺机必须有两个热源。 是理想气体，可以是其他物质。 是理想气体，可以是其他物质。 2、卡诺热机效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。 、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 例如：波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料， 用航空煤油作燃料。 用航空煤油作燃料。 3、提高热机效率的方法。 、提高热机效率的方法。
T2 η =1− T1
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。 降低低温热源温度。 使 T2 /T 越小越好。 1 越小越好。
而低温热源的温度常是室温或江、 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。 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， 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。 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 目前30万kW汽轮机的蒸汽压强在20Mpa以上， 30 汽轮机的蒸汽压强在20Mpa以上 以上，这种蒸汽称为亚临界状态的蒸汽， 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%。 200℃， 35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。 温蒸汽将处于超临界状态，其效率将更高。
V3 ln Q2 T2 V4 η = 1− = 1− Q1 T1 ln V2 V1
V2 T1 = V3 T2
D — A 绝热过程
γ −1
γ −1
V1 T1 = V4 T2
γ −1
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γ −1
p p1
A
T1 > T 2
Qab
T1
W D B
V 2 V3 = V1 V 4
卡诺热机效率
p2 p4
C Qcd T2 V o V1 V4 V2 V3 （1）Q1指从高温热源 1吸热， ） 指从高温热源T 吸热， V3 Q2指对低温热源 2放热的绝 指对低温热源T 放热的绝 ln 对值。 指作功的绝对值。 指作功的绝对值 Q2 T2 V4 对值。W指作功的绝对值。 η = 1− = 1− ）只适用于卡诺机。 Q T V2 （2）只适用于卡诺机。